ARM9嵌入式系统在励磁调节装置的应用
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关键词: 励磁调节装置; ARM; Linux ; 嵌入式
0． 前言
励磁系统是发电机组重要的辅助装置，它对发电厂的自动化、发电机组运行的可靠性有着重要作用。随着科学技术发展，励磁方式已从直流电机励磁系统发展到可控硅励磁，自动调节器从原来的模拟式发展到微机数字式。
本文所研究的励磁调节装置，它是以经典和现代控制理论与数字信号处理器DSP技术与嵌入式技术相结合的微机励磁调节器。它继承了过去的微机励磁调节器的全部调节、控制及限制保护功能，同时在计算速度、抗电磁干扰、可靠性等方面有了极大的改进，有效保证整个系统调节、控制功能的实现; 外围采用先进的大规模可编程逻辑器件，以提高整个系统的可靠性，并形成对用户开放的逻辑系统。
1．励磁调节器的组成原理
图一 励磁调节系统原理图
所示为自并励励磁调节器系统的组成图，机自身向可控硅整流桥供电，AVR装置根据采集的数据经PI或PID计算得到数据控制量，经过比较电路产生触发脉冲，调节可控硅导通角的大小，使机端电压保持在恒定值，从而最终达到控制的目的。
该系统主要由微机励磁调节器；电气制动停机装置等分组成。采用两套相同的控制器冗余配置,物理通道相互独立,每个通道基本包括:电源系统、主机板、采样板、模拟量输入输出板(A/D,D/A) 、开关量输入输出板、脉冲形成及放大板等。
2． 嵌入式系统部分
2． 1嵌入式硬件单元
ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了高性能、耗能低的RISC处理器,具有性能高、成本低和能耗省的特点。应用于多种嵌入式领域，配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。5级流水线提高了时钟频率和并行处理能力。集成有串口，USB Host 控制器，LCD控制器，Nand Flash控制器，IDE， PCMCIA 等多种功能。32K FRAM.最高分辨率1024X768X32芯片,内置以太网控制器，片上资源丰富。
本系统中管理单元是以ARM9为内核,串行并行接口芯片,D/A转换器等硬件,负责管理液晶、对外通讯、打印、录波分析。大大增加了系统通信、后台管理、远程维护等附加功能，可以运行操作系统以及QT等应用程序，具有比较强的事务管理功能。
控制单元是以DSP为内核,负责脉冲形成、AD转换、数据运算等。 DSP由于其特殊的结构、专门的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地实现各种数字信号处理及满足各种高实时性要求。其优势在于其强大的数据处理能力和较高的运行速度。
本系统采用ARM和DSP芯片的双核嵌入式系统，充分利用了ARM和DSP的各自特点进行协同开发。 DSP作为控制部分，可以充分发挥其对数字信号处理的独特优势；ARM作为管理部分，则发挥其前台显示通讯管理的优势，使前台部分相对独立，减少主CPU负担；即使发生故障，对后台主程序不产生影响，相应增强了整个设备冗错能力。二者通过HPI进行实时数据透明交换。
图二 ARM+DSP嵌入式硬件图
2．2 嵌入式操作系统选择
在ARM 芯片上可以实现多种操作系统的移植,比如Window-CE、VXWorks等,由于Linux具有以下特点: 1)开放的源码,丰富的软件资源；2)内核功能强大,性能高效、稳定,多任务易于裁减； 3)完善的网络通信、图形、文件管理机制；4)支持大量的周边硬件设备； 5) 价格低廉可以有效降低产品成本。基于开发成本考虑,最后选用了ARM-Linux系统。
2．3 ARM 与 DSP连接
HPI是一个并行串口，ARM通过它可以之间访问DSP存储空间以及地址映射道存储空间的外围设备。HPI主要由地址寄存器HPIA，数据寄存器HPID,以及控制寄存器HPIC组成，ARM先通过对控制寄存器和地址寄存器设置，然后根据控制信号进行对数据寄存器读写操作。ARM处理器在与HPI的读/写前，首先要完成自身工作模式等一系列初始化，其源代码如下：
SYSCFG=0xeTffe22；/*关掉ARM中Cache*/
EXTDBWTH=0K0ffff556; /*使外部I/O接口工作于32位模式*/
EXTAC0NO=0x08610000/*配置外部I/O接口各读写时序关系*/
这段代码通过对寄存器的操作，配置好ARM处理器工作模式后，对外部I/O接口就可以进行读写，从而完成对HPI接口的相应操作了。HPI接口可以用I/O端口方式，也可以用I/O存取方式。系统平台采用I/O存取方式，将HPI访问地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID、控制寄存器HPIC映射到内存物理地址为0x3fd40000开始的空间，通过访问存储器指令对HPI进行操作。
HPI物理地址定义如下：
＃define HPI-Base Ox3fd40000
＃define Vpint /* volatile unsigned int */
＃define HPICW (Vpint(HPI-Base +0x00))
＃define HPICR (Vpint(HPI-Base +0x40)) /* 定义HPIC寄存器 */
＃define HPIAW (Vpint(HPI-Base +0x10))
＃define HPIAR (Vpint(HPI-Base +0x50)) /* 定义HPIA寄存器 */
＃define HPIDW (Vpint(HPI-Base +0x20))
＃define HPIDR (Vpint(HPI-Base +0x60)) /* 定义HPID寄存器 */
开始通信时ARM向DSP发送命令(如数据采集)，通过HPI口中断DSP，使DSP进入相应子程序；同时DSP将数据存入缓冲区，一帧长度为256字节。当ARM向DSP请求数据时，向DSP发送一个帧同步命令字，并同时中断DSP，DSP响应中断将数据送入HPI口RAM，存完一帧数据后DSP向ARM发中断，ARM响应中断，清除该中断把HPI口中数据取出存入RAM中，并送终端显示并循环刷新。 ARM的部分程序流程图如下图所示：
图三 ARM部分程序流程图
HPI读写数据部分代码：
for(i=0 ；i<HPISize；i++)
{
HPICW=0x00000000； /*初始化HPI口的控制寄存器*/
HPIAW=0x800000000； /*初始化HPI口的地址寄存器*/
hpiBaseAddr[i]=HPIDR； /*通过HPI读出数据，送到数组中暂存*/
CpLen＝HPISize；
if ( copy_to user (buffer , (_u8*)(&hpi>HpiBaseAddr[j]), CpLen )) return-EFAULT;
/*将数据拷贝到用户缓冲区*/
return CpLen
}
在开发DSP为内核的控制单元中，大部分代码采用了C语言来编写，利用Ti公司提供的开发环境CCS IDE(Code Composer Studio Integrated Development Environment )进行程序编译、汇编和链接，并对程序进行仿真调试，最后将生成的DSP可执行代码下载到DSP的Flash中。
3．结论及创新点
利用ARM9 CPU 强大的功能, 以及嵌入式Linux多进程多线程编程等提供的便捷高效的底层支持,开发出的励磁调节装置具有可靠性高、操作方便等诸多优点，在励磁调节控制系统中起到了枢纽和核心的作用。本文介绍使用的ARM和DSP双CPU构成的双核嵌入式的硬件平台，给出系统整体硬件设计图，并详细介绍了ARM和DSP通信部分的设计。以后基于DSP进行数据处理、ARM进行管理，二者配合的系统将会越来越多、应用也将越来越广泛。
创新点：(1) 系统用ARM处理器代替单片机,使系统性能得以大大提高； (2) 采用ARM、DSP双核嵌入式系统，充分发挥了ARM和DSP的各自优势；(3)工业级大液晶显示器触摸屏，替代传统LCD，友好人机界面易学易用。
参考文献:
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[2] 周双喜、 李 丹 同步发电机数字式励磁调节器 北京:中国电力出版社 1998
[3] 杜春雷，ARM体系结构与编程[M]，北京清华大学出版社，2003，7～191
[4] EP9315 User’s Guide by Cirrus Logic
[5] Atmel Corporation ARM Datasheet January[M]，France：Atmel Corporation 1999
[6] 吴振纲，陈虎．PLC的人机接口与编程［J］．微计算机信息，2005，8-1：21-23
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