基于ARM9和FPGA的通讯管理机的研究

摘要

随着经济的快速发展，能源需求日益增加。作为重要能源之一的电力，其传输管理系统自动化程度越来越高。在我国电力自动化系统中，越来越注重于对系统信息的收集、集成及管理。这其中，不同智能装置之间数据交换越来越频繁，但不同设备使用的不同协议给变电站通讯带来很大麻烦。一个可行的解决方案就是使用通讯管理机。作为重要的数据转发设备，通讯管理机在变电站通讯中发挥了重要作用，它可以实时接收现场设备通讯数据，汇总整理后实现通信、控制。同时，高性能微处理器的发展和嵌入式操作系统的广泛应用，也为新型通讯管理机的研制提供了基础。
　　本文根据变电站通讯对通讯管理机的功能需求和对多种解决方案分析比较的基础上，设计了一种基于ARM+Linux的新型通讯管理机。此架构的技术比较成熟、扩展性强、成本较低，有很强的应用前景。本系统可通过RS485、CAN、以太网接口，与变电站智能设备进行连接，并将现场智能设备的通讯数据整理汇总后，通过上行网络接口，实时上送上级主站系统;另一方面，接收主站系统的控制命令，转换并转发给现场智能设备，实现对下行设备的控制。该系统采用模块化设计，保证了系统运行工作时的稳定性与可靠性。
　　系统硬件平台采用ARM+FPGA的架构。其中，ARM选用AT91RM9200工业级芯片，满足了变电站复杂的工作环境，其作为主控芯片负责整个系统的控制、交互及通讯;FPGA作为协处理器负责扩展通讯串口、输出告警及控制信号，实现对被控对象的控制。ARM和FPGA通过总线通讯，保证了二者通讯的稳定和快速性。
　　系统软件实现部分，详细介绍了嵌入式Linux操作系统的开发基础和移植的实现方法，重点讲解了协处理器FPGA在Linux系统下的驱动开发。本文的核心是协议转换的实现。在协议转换实现方法上，采用多线程技术，保证各个线程之间协同工作。此外，本文还对电力系统常用通讯协议的帧结构进行了分析，为协议转换程序设计提供了理论基础。
　　在系统设计完成后搭建了实验平台，从系统硬软件环境、系统功能和系统性能三个方面进行了测试。结果表明该系统硬软件环境运行稳定，但协议转换程序仍在实现当中，还需进一步完善。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 通讯管理机的研究现状

1．3 电力系统相关通讯协议分析

1．3．1 OSI参考模型

1．3．2 101、104规约

1．3．3 CAN技术规范

1．3．4 TCP/IP协议

1．3．5 MODBUS协议

1．4 本文主要研究内容及组织结构

第2章 系统总体方案及硬件电路设计

2．1 系统概述

2．2 系统工作原理及设计思想

2．2．1 系统工作原理

2．2．2 系统设计思想

2．3 系统硬件电路设计

2．4 AT91RM9200微处理器概述

2．5 电源模块电路

2．6 CPU中央处理单元电路

2．6．1 电源电路

2．6．2 时钟电路

2．6．3 看门狗复位电路

2．7 存储器扩展电路

2．7．1 SDRAM接口电路

2．7．2 Nor Flash接口电路

2．7．3 SD Card接口电路

2．8 通讯接口电路

2．8．1 RS485通讯接口

2．8．2 CAN通讯接口

2．8．3 以太网通讯接口

2．9 FPGA模块电路

2．9．1 FPGA相关技术

2．9．2 FPGA与ARM通讯实现

2．9．3 控制信号输出和通讯接口扩展

2．10 本章小结

第3章 系统软件设计

3．1 嵌入式Linux开发基础

3．1．1 嵌入式Linux开发环境构建

3．1．2 Linux开发环境完善

3．2 嵌入式Linux操作系统移植

3．2．1 U-Boot移植

3．2．2 Linux内核移植

3．2．3 根文件系统移植

3．3 设备驱动开发

3．3．1 FPGA驱动设备初始化

3．3．2 驱动文件操作接口

3．4 协议转换程序设计

3．5 FPGA串口程序设计

3．5．1 双端口RAM的设计与实现

3．5．2 串口发送接收模块设计

3．6 本章小结

第4章 系统测试与分析

4．1 系统硬软件环境测试与分析

4．1．1 硬件测试

4．1．2 软件环境测试

4．2 系统功能和性能测试

4．3 本章小结

第5章 结束语

参考文献

致谢