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嵌入式系统的最新研究摘要：本文章是对嵌入式的概念、用途、特点和科研成果来介绍的，以更好的了解其使用原理和用途而更方便以后的学习。关键词：嵌入式、科研正文：嵌入式1.定义：IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。2.组成：一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。3.科研：（1）、嵌入式网络数控技术与系统：嵌入式新型网络数控系统中央数控单元硬件实现方案如图所示a．嵌入式中央数控单元：嵌入式中央数控单元采用ARM+DSP结构，ARM采用32位S3C44B0XARM芯片，DSP采用32位高性能DSPTMS320F2812，ARM和DSP之间通过串口交换数据。还有JTAG硬件调试功能。中央数控单元DSP的CAN总线接口通过CAN驱动接到CAN总线，数据传送率可达1MB/s。DSP的通用定时器产生的PWM脉冲作为进给量加上一个I/O信号作为方向控制可用作某个加工轴的进给信号。由于TMS320F2812有四个通用定时器，因此，可以产生四个加工轴的PWM位置进给脉冲。通过在ARM上扩展RTL8019AS芯片，与以太网相连。ARM的一个UART通过485驱动连到异步串行总线，另一个UART和DSP的异步串口相连，由于ATM和DSP在同一个印制电路板上，它们之间的异步通信速率可到115Kb/s甚至更高。b．中央数控单元的ARM运行Uc/OS嵌入式操作系统，除插补、刀补、间隙补偿以外的其他数控主程序运行在ARM上。ARM同显示与键入装置相连，负责人机交互；将编译后的插补代码通过串口发给DSP;ARM还负责M、S、T等指令执行，通过异步串行总线（MODBUS）将逻辑控制指令发给PLC；通过总线，负责系统的监控；另外ARM还负责与外部网络连接，实现整个数控系统的网络化开发、调试、运行、管理、监控和诊断等。中央数控单元ARM部分软件架构见图下。中央数控单元的DSP主要负责插补、刀补、间隙补偿等运算；DSP或者通过高速现场总线（CAN总线）将进给量发给伺候控制系统，或者通过PWM及通用I/O借口，产生最多四路独立的进给脉冲和进给方向控制输出。DSP课通过高速现场总线获取伺候控制的状态。中央数控单元的DSP的软件主要模块见图下。b．显示器及键入装置：显示器及键入装置采用256色的彩色液晶显示器，由ARM芯片本身继承的显示控制功能直接进行显示控制，因此系统的显示实现将变得非常简单。基于ARM芯片提供的通用I/O借口，开发。扩展了键盘、手摇脉冲发生器及其他按键输入电路。c.嵌入式PLC：嵌入式PLC由C8051F022芯片构成的I/O控制板。嵌入式PLC通过485异步串行总线（MODBUS协议）与中央控制单元相连。本系统可实现多轴联动的直线、圆弧和多项式等多种曲线插补。(2).嵌入式继电保护故障信息处理系统子站管理机的设计a.子站管理机的要求与设计原则：子站管理机的要求是应能收集站内各种智能电子设备（IED）的大量的信息（如保护装置信息、故障录波器信息等），对收集到的数据进行过滤、分类、存储等，并能按照定制原则上送到各调度中心的主战系统。b.硬件设计：嵌入式子站管理机硬件总体构成如图主管理模块式嵌入式子站管理机的核心模块，它具有对各智能装置接入模块所采集的信息进行处理、控制、存储并按要求向远方主站或当地工作站发送等功能，并具有各智能装置接入模块进行管理配置和运行监视等图形化的人机界面。主管模块采用了低功耗、无风扇、基于IntelPentiumII处理器（主频1GHZ）的ETX,其板上的SDRAM可达512M，运行嵌入式Linux操作系统。智能接入模块负责与接入IED（主要是继电保护装置和故障录波器等）通信，完成规约转换、信息收集。智能接入模块的CPU采用工业级32位ARM9嵌入式高速处理器，系统时钟使用外部14.7456MHZ，主频可达200MHZ。ARM9处理器内部集成的网口用于内部通信网络，自带的串口用作调试借口，通过跳水是借口可对系统进行软、硬件调试及编程等。128MB的SDRAM用作程序的运行空间、数据及堆栈区；32MB的Flash用来存放容量为1GB的Flash用来存放数据。智能接入模块外扩了4路异步串行借口，通过跳线实现RS-232C、RS-485、RS-422三种工作方式或者用4片网络芯片扩展4路10/100Mbit/s以太网接口用来接入一个或多个厂家的智能设备。复位电路中设有硬件watchdong，与内部软件watchdog配合，提高了软件故障的恢复能力。c.软件系统设计：子站管理机采用嵌入式Linux操作系统，该操作系统内核功能强大，性能高效、稳定、多任务，提供了完善的网络通信功能，便于远程管理；也采用稳定、高效与开放的内置标准数据库管理系统，为子站系统的处理、管理与使用提供了有力保障。d.子站管理机的功能实现：数据采用多级存储方式，各智能接入模块上具有的大容量FLASH为第一级数据存储器；主管理模块上的大容量cf卡为第二级数据存储器；硬盘为长时间、大容量保存数据的第三级数据存储器。嵌入式子站管理机能够广泛适用于66-750kv各电压等级的发电厂和变电站子站系统。在子站系统应用中的网络结构可以根据变电站的布置方式或建设情况的不同，分为集中式和分布式两种。嵌入式子站接入装置与嵌入式子站管理机基本相同，主要差异是嵌入式子站接入装置没有配置主管理模块（CPU模块），主要负责装置接入、规约转换、信息收集功能。(3).基于MCU+DSP嵌入式平台的变压器监控器设计a.MCF5272与BF527的接口设计：嵌入式平台采用Motorola公司Coldfire系列的MCF5272微处理器作为系统主处理器。MCF5272基于第2代Coldfirev2核心，66MHZ时钟频率，32位数据、地址总线，具有丰富的外部接口资源和很强的通信能力。b.BF527的系统引导与数据传输：本设计采用从16位HOSTDMA引导模式，BF527启动模式引脚BMODE[3~0]的电平设置为1110.BF527的程序作为MCF5272的数据被写到同一个Flash存储器中。系统加电复位后，BF527开始执行片上BootROM的Boot引导结束后，根据BMODE[3~0]引脚的设置完成引导和程序加载过程。采用HOSTDMA引导的设计减少了独立存储器的数量，系统性能得到了提高并降低了成本。BF527的HOSTDP通过外设接口总线(PAB)写入HOST_CONTROL寄存器中的HOST_EN位使能。是能后，主处理器向HOSTDP发送7个16位的控制字并根据控制字重新配置HOSTDP。本平台设计通过写入控制字将DMA配置为应答模式，数据传输采用停止模式，总线宽度为16位，传输顺序采用低位在前方式。配置完成后，MCF5272将以配置的具体方式进行数据的读写，完成与BF527的数据传输。c.嵌入式平台的变压器监控器设计：变压器监控器硬件设计：变压器监控装置主要完成对变压器及所在线路的信息采集、数据的统计与保存、保护盒故障报警、无补偿等功能变压器监控装置除了以上基本功能外，还需要完成电压骤降（骤升）、电压善变、谐波及电压不平和等电能质量的检测功能，为提高供电质量提供直接、有效的信息。传统的基于单处理器的变压器监控装置无法完成复杂的算法和庞大的数据处理，其硬件本身也很难通过改动来扩展新增的功能。基于MCF5272+BF527嵌入式平台的变压器监控器采用独立的处理器完成实时性要求不同的功能。平台强大的并行数据处理能力和足够的运算速度可以满足电力系统对变压器监控装置的功能和性能能要求。变压器监控器分为3部分，基于MCF5272+BF527嵌入式平台的核心单元、变压器监控器功能扩展板和带有液晶显示与键盘输入的人机接口模块。装置图见下图变压器监控器通过扩展板的数据通道采集监控对象的模拟量与状态量数据，根据配置参数和具体算法完成基本监控功能。通过RS-232串行接口或以太网口与现场各设备及主战进行数据交互。监控器的人机接口模块完成电网参数的实时显示和设定值的配置功能。是实时时钟模块可以接入电力系统GPS同步时钟或主站系统时钟对装置进行对时。在通信中断的情况下，控制器采用FlashRAM来保存设置参数、累加电度和事件记录等需要掉电保存的重要数据。d.软件设计：变压器监控器的软件包括MCU与DSP2部分。MCU软件采用uCLinux嵌入式多任务操作系统，uCLinux内嵌了TCP/IP协议，支持多种文件系统和丰富的外围设备，非常适合MCU的管理、通信功能的需要。DSP软件完成模拟信号的采样、计算，基于傅里叶变换的稳态信号分析，基于小波变换的暂态信号分析以及与设定值有关的变压器保护与报警处理。采用Vxworks嵌入式实时多任务操作系统，其快速多任务切换、抢占式任务调度和循环调度的特点能够满足以上功能的需要。BF527利用小波分解的高频系数是否具有模极大值作为区分稳态和非稳态现象的判据。利用快速傅里叶变换（fft）对谐波、简谐波和纯正谐波等稳态现象进行分析。利用小波变换的快速算法——Mallat算法来确定非稳态扰动的持续时间和扰动波形。采用自适应人工神经网SAANN对电能质量扰动进行检测和分类。Mallat算法是根据多分辨率分析理论给出的小波分解和重构的快速算法，分为分解和重构2个互逆的过程。其表达式为DSP根据对变压器及所在线路信号的分析，完成变压器监控器的保护和告警功能。当某相电压过压、欠压及谐波超限时快速切除补偿电容器的保护功能；当电网缺相或零序电流超限时快速切除补偿电容器，同时报警信号输出；当检测到暂态电压扰动时，分析判断干扰类型，启动录波并记录分析结果；当功率因数变化超出设定范围时，采用三相补偿、单相补偿和综合补偿等方式，完成无功补偿功能。e.变压器监控器测试：根据变压器监控器的功能和性能要求，对装置的功能和性能进行测试。装置测试系统包括变压器监控器1台、继电保护测试仪1台、电容器12台、微机1台、HUB1台，如图测试内容包括变压器监控功能测试和装置电磁兼容性测试2部分。功能测试包括参数配置，模拟量与状态量采集，过压、欠压、谐波超限的报警与保护，电压善变、电压骤降的检测，无功补偿以及与主站数据传输的正确性。下表为基本输入、输出功能的测试，下图为变压器监控器对相间短路造成的电压骤降录波数据，相电流I1~I2分别对应电压U1~U3。其中，电压、电流单位分别为V、A，时间时间单位为ms。电压骤降的起始时刻ts为09:4818.659,持续时间tL=100ms，电压偏差δμ=-53.2%。系统的测试结果表明，变压器监控器的模拟量采集计算误差在允许范围内。状态量采集、事件顺序记录SOE、数字输出DO符合技术要求。各种警报、保护功能以及无功补偿操作可以满足用户具体要求。各种警报、保护功能以及无功补偿操作可以满足用户具体要求。对电压骤降、电压善变、谐波等监测满足电能质量监测标准。总结：嵌入式就业发展空间相对较大。嵌入式系统是当前最热门、最具发展前途的IT应用领域之一。包括手机、电子字典、可视电话、数字相机(DC)、U-Disk、机顶盒、高清电视、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、加点控制系统、医疗仪器、航天航空等都是典型的嵌入式系统。因此，通过嵌入式培训称为专业的嵌入式技术人才，其职业发展空间较大。附录：1【数据库】：万方数据库【篇名(中)】：改进的符合EV-VBR标准的嵌入式宽带语音编码器【篇名(英)】：ImprovedembeddedwidebandspeechcodecfittingEV-VBRstandard【作者姓名】：辛杰，鲍长春，贾懋坤，刘鑫【作者单位】：北京工业大学