基于嵌入式Linux的组合仪表管理单元设计与实现

论文摘要

近年来，作为发电机组的核心部分——汽轮发电机的单机容量不断增大，自动化程度不断提高，为了保障汽轮机的安全运行，需要配备一整套测量精确、高可靠性的监视保护系统。正由于这样的市场需求，应用于汽轮机的监视保护组合仪表应运而生。为了满足国内电力行业日益发展的需求，打破国外在汽轮机的监视保护组合仪表领域的垄断，以赶超国际先进技术为目标，本文提出了一种针对汽轮机监视保护组合仪表的管理单元设计。本设计的实现基于开放源代码的嵌入式操作系统ARM Linux和标准的工业现场总线协议MODBUS，因此具有良好的通用性和可扩展性，能够被广泛应用到对其他各类大型旋转机械的监视保护之中，也可作为其他嵌入式Linux系统的设计和实现的参考。本文提出的汽轮机监视保护组合仪表由管理单元和各种功能单元组成，各个功能单元通过标准RS-485串行总线与管理单元相连接，由管理单元对系统各个功能单元进行统一管理。系统中各个功能单元用于连续检测汽轮机各个部分的运行状态，记录测点的有效参数。管理单元根据监测数据，现场提供监视报警、实时数据显示、历史数据记录和报警记录给汽轮机操作人员。管理单元同时还要根据系统需要将数据上传至连接到组合仪表的上位计算机。为管理人员了解设备运行情况、及时调整运行参数、提高生产效率和保障汽轮机的安全运行提供必不可少的参考依据。管理单元还可以将上位机的组态命令传送到各个功能单元，设置功能单元的工作状态。总之，连接了上位机和各个功能单元的管理单元是整个组合仪表中最重要的部分。本设计以实际应用为目标，深入现场进行了详尽完善的功能需求分析；从管理单元的硬件平台设计开始，以可靠性和稳定性为目标，对嵌入式微处理器的选择、串行通信接口电路的设计和电源模块电路的抗干扰设计均做了充分而全面的考虑；以模块化和易扩展的思想为指导，搭建了基于嵌入式操作系统ARMLinux的软件平台，给出了系统的总体框架及设计方案。本文介绍了嵌入式操作系统ARM Linux的移植，系统主要设备的驱动程序编写方法，以及相关技巧。说明了系统应用程序各个任务的划分和它们的调度策略，串行通信功能的设计与实现，并给出了主要任务的流程。本文最后说明了作者对系统进行的可靠性测试和CPU占用率测试，以及系统功能测试的方法和结果。总结了整个设计中的心得体会，并提出了有待进一步深入研究和探索的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及课题来源
• 1.2 本课题的研究内容
• 1.2.1 课题研究的嵌入式平台架构
• 1.2.2 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
• 第2章 相关技术和领域发展情况介绍
• 2.1 嵌入式系统简介
• 2.2 嵌入式系统在工业控制领域中的应用
• 2.3 MODBUS通信协议简介
• 第3章 系统功能分析与软硬件设计
• 3.1 系统的功能需求分析
• 3.2 系统总体设计方案
• 3.2.1 总体设计方案
• 3.2.2 系统的结构
• 3.2.3 系统任务划分
• 3.2.4 系统通信流程
• 3.3 基于S3C2410A的硬件平台
• 3.3.1 嵌入式微处理器的选择
• 3.3.1.1 嵌入式微处理器简介
• 3.3.1.2 本课题所采用的嵌入式微处理器
• 3.3.2 基于S3C2410A的管理单元的硬件组成
• 3.3.2.1 NAND Flash存储器芯片及其电路
• 3.3.2.2 SDRAM芯片及其电路
• 3.3.2.3 串行通信接口电路
• 3.3.2.4 电源模块电路
• 3.4 基于ARM Linux的软件平台
• 3.4.1 嵌入式操作系统的选择
• 3.4.1.1 评估嵌入式操作系统的一些指标
• 3.4.1.2 Linux作为嵌入式操作系统的可能性
• 第4章 系统主要功能的设计与实现
• 4.1 基于ARM Linux的软件平台构建
• 4.1.1 交叉编译环境的建立
• 4.1.2 引导装载程序的移植
• 4.1.2.1 引导装载程序U-Boot简介
• 4.1.2.2 U-Boot在S3C2410A上的移植
• 4.1.3 ARM Linux内核的配置与编译
• 4.1.3.1 ARM Linux内核源代码的准备
• 4.1.3.2 ARM Linux内核的配置与编译
• 4.2 Linux设备驱动程序
• 4.2.1 NAND Flash存储器驱动程序
• 4.2.1.1 Linux MTD子系统
• 4.2.1.2 NAND Flash存储器驱动程序的实现
• 4.2.2 LCD驱动程序
• 4.2.2.1 Linux framebuffer简介
• 4.2.2.2 LCD驱动程序的实现
• 4.2.3 触摸屏驱动程序
• 4.2.3.1 触摸屏工作原理
• 4.2.3.2 触摸屏驱动程序的实现
• 4.3 应用程序
• 4.3.1 应用程序的规划
• 4.3.2 应用程序的实现
• 4.4 根文件系统的建立
• 4.4.1 根文件系统的基本结构
• 4.4.2 准备根文件系统的内容
• 4.4.3 设置根文件系统
• 第5章 系统测试及其结果分析
• 5.1 系统通信效率测试
• 5.2 系统CPU占用率测试
• 5.3 系统功能测试
• 5.4 测试总结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 工作成果
• 6.2 本系统进一步要做的工作
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 附录