基于嵌入式平台的网络化OTDR模拟训练系统设计论文

基于嵌入式平台的网络化OTDR模拟训练系统设计论文（通用4篇）

基于嵌入式平台的网络化OTDR模拟训练系统设计论文 篇1

第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

4.1平台设计的需求分析

面向课堂教学的网络辅助平台应以资源建设为核心，结合传统教学过程中的关键环节，充分发挥教师、学生的交互作用，为学生、教师、教务管理提供一个开放式的教、学、管三合一的综合环境;全面实现校园内的教学资源共享和跨平台的信息资源访问，成为一个完整统一、技术先进、高效稳定、安全可靠的基于Internet/Intranet的网络辅助教学平台。网络辅助教学平台的目的是借助Intemet的网络环境，建立一套功能齐全、使用方便、效率高的网上辅助学习环境。在该环境下，学生可以学习、练习、答疑和测试，教师可以开展网络教学活动，管理网络课堂，提供和分享优质的教学资源。管理员能在线进行用户、资源、角色和系统管理。平台应能很好地配合课堂教学，成为课堂教学的延伸和提高。

结合软件工程中的模块化程序设计思想，整个系统主要由4个子系统组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学管理和系统管理四个子系统的网络辅助教学系统。（l）教学支持子系统为学生提供学生学习的主要参考资料，素材分学科管理。网上学习系统提供了网上学习环境。在该环境下，有教师上课的电子讲稿、CAI课件、教学大纲、教学日历、参考资料及习题等，同时还可以进行网上测试和作业。（2）教学教务资源管理子系统为教师和学生提供大量可供检索的网络课程和教学素材资源，对教师提供上传下载教学资源的接口。（3）学教务管理子系统可以对用户、教学资源进行在线管理，并可授权教务管理人员对网络课堂的教学情况进行巡视和观摩。（4）系统管理子系统可以在线对面板、角色、系统模块、系统用户进行管理，并可以对功能模块进行定义。

4.2平台架构设计

4.2.1平台基本架构

通过对网络环境下教学特点的研究，建立网络辅助教学平台的总体架构，根据图4-1所建立的模型，网络辅助教学平台由以下模块组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个模块组成。

图4一1网络辅助教学平台结构图

4.2.2平台功能模块设计

平台包括网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个子系统，下面分别介绍各子系统的结构和功能。

（l）网络辅助教学支持系统（见图4-2）

网络辅助教学支持系统中的角色主要为教师和学生。用户登陆平台后，教师可以在线管理本课程的课件、布置(修改)作业、上传课件相关资料等。学生可以浏览相应的课程内容、在线完成作业、向教师提出问题等。该系统主要包括课程教学、师生交流两个子系统。

图4一2网络辅助教学支持系统结构图

上图中引擎层中各模块的处理流程如下： I.单点登录

网络教学平台有很多子系统，通过跨域单点登录，实现在平台内任一处登录，当导航到其他子系统时不需要再一次登录。跨域单点登录认证流程如下：

当用户在网络教学平台中任一子系统登录时，跨域单点登录系统会将用户经对称加密的认证信息（通常是用户名与密码）送到验证中心进行身份验证，验证中心会检查用户的COOKIE（面向验证服务器），如没有已登录信息，则会解密送过来认证信息进行身份验证，如果验证通过，则返回验证通过信息到请求认证的子系统，同时设置用户COOKIE（面向验证服务器）。否则返回验证错误信息到请求认证的子系统。II.功能引擎

本系统的功能、子系统，外部子系统或功能（如:博客、BBS、在线社区等）在功能引擎中注册，并进行推送。从而把它们嵌入到网络教学平台中。本系统的其他子系统如需要使用这些功能，管理员可进入后台管理界面进行功能定制。III.界面引擎

网络教学平台核心功能是资源的整合与展示，资源的展示界面是各种教学模式的载体。因此网络教学平台中资源通过界面引擎以不同的形式如博客、网络课堂、电子教室等形式展现出来。界面（模板）引擎处理流程如下：

当某一子系统启动时，界面（模板）引擎把读取的页面模板文件转换成文本流文件，然后在该流文件中查找各种标签，并负责调用对应的标签函数，用标签函数处理的结果替换文本流中相应的标签。当处理完所有的标签时，删除文本流中所有的空行，最后输出。IV.资源集成引擎

当用户管理自己上传的资源时，可以选择是否向资源中心推送（默认推送），资源集成引擎负责索引这些资源的地址到资源库中。

当用户要在页面中使用资源时，资源集成引擎会把用户的本地资源和资源库中的共享资源呈现在用户面前供用户使用，从而实现学校与学校、学校与企业、教师与教师、教师与学生、学生与学生之间的资源共享。(4)在系统设施阶段对系统编码、测试，形成可执行的系统。

① 课程教学平台

 课件浏览子系统：

集中管理己经开发成型的课件资源。学生根据所选的课程提供相应的课件地址进行浏览，教师则根据所上课程提供相应的课件地址进行浏览。

 课程公告子系统

关于某门课程的即时消息。教师可发布、修改、删除课程公告。 辅导答疑子系统

学生提出问题，由教师解答后发布给学生浏览。

 教辅资料子系统

教师上传的与该课程有关的教学辅助文件。供学生下载学习。 案例集锦子系统

教师提供的与该课程有关的经典案例供学生学习。 问题集锦子系统 教师提供的与该课程有关的常见问题及解答供学生学习。

 VOD点播子系统

为学生和教师提供学校精品课程、学术讲座等教学视频资源。 作业评阅子系统

教师布置、批改、分析课程作业，浏览作业的总体情况。学生在线修改和提交作业，并可以浏览教师评语，了解知识点掌握情况。

 自主考试子系统

教师可通过系统录入考试试题和答案，学生可自主选择课程的相应章节进行测试。 考勤记录子系统

用户登陆网络辅助教学平台后，系统将对用户的操作进行自动跟踪，并随时可提供详细的考勤记录和日志报告。② 师生交流平台

 课堂讨论

用户可针对某一课程的相关问题进行讨论，发表意见。

 学术论坛

平台为教师与学生提供强大的在线交流工具:学术论坛，在这里可以按学科、按资源进行相应的讨论区，搜索和发布相关主题。学生与教师可在某门课程的论坛上进行交流。论坛较之聊天室的好处在于可以将讨论的内容保留，供其他人浏览。（2）网络辅助教学资源库

网络辅助教学资源库（见图4-3）包括共享软件资源库和教学素材资源库。共享软件资源库面向所有用户，为用户提供丰富的共享软件资源。教学素材资源库主要面向教师，主要为满足教师开发网络课件的教学需求提供丰富的、多元化的多媒体素材资源。其主要由资源入库系统、资源类型管理系统、资源修改系统、检索系统四部分组成。

图4-3网络辅助教学资源库结构图

① 源类型管理子系统

面向系统维护人员，管理员可以按学科、类型建立资源目录，同时也具有对资源目录增加、删除、修改等操作权限。

② 资源入库子系统

面向教师和系统维护人员，可以向资源库增加各种类型的教学资源。由于系统采用关键字等多种组合检索方式，所以入库时必须将各类文件的全貌等非文字信息转换成可读形式的信息，对其特征直接采用自然语言进行多层次、多角度地加以准确描述。文字描述信息资源的特征的准确与否，关系到检索的查准率和查全率问题。

③ 源修改子系统

面向教师和系统维护人员，资源的作者和管理员可以对资源的属性，包括描述、类型、作者、大小、学科等相关信息进行修改，也可删除某一资源记录。④ 源检索子系统

对共享软件资源库的检索面向所有用户，教学素材资源库主要面向教师，检索采用基于表现形式的全文检索，具有按专业、课程、关键字及资源类型的多种组合检索方式。（3）网络辅助教学管理系统

网络辅助教学管理系统主要提供教学相关的管理功能，包括用户管理、课程管理、课堂观摩、系统新闻管理、欢迎词管理、校内资源链接管理、免费资源管理等部分。① 户管理

用户管理的面向对象为教务管理员与系统管理员。用户管理是对系统用户信息和权限的管理，包括对用户进行分角色管理及用户角色权限的分配管理。其中包括用户管理、用户权限管理、用户角色管理、用户角色权限管理和用户口令维护等功能模块。用户管理内容包括查看用户基本信息及选课情况，停（启）用某一账户，重置用户密码。用户注册模块结构如图4一4所示:

图4-4用户注册模块结构图

② 程资源管理

对课程资源的管理包括添加修改新课程、设置课程是否收费、查看该课程学生的缴费情况等。

③ 堂观摩子系统

教务管理人员在登陆后，可在课堂观摩子系统中查阅某课程传统课堂的教学安排。④ 系统新闻管理

添加、删除、修改系统新闻。⑤ 迎词管理 修改欢迎词界面。⑥ 共资源链接管理

添加、删除、修改平台界面资源链接。（4）系统管理

系统管理面向系统管理员，主要功能有定制系统界面、定制用户权限、管理各功能模块等功能。为系统管理及升级提供强大的功能。系统提供了可插接在线教育企业的全部控件的基础数据接口。这些系统管理工具提供了以下功能: ① 统模块定义:定义系统的功能子模块;② 级管理员管理:下级管理员信息的增删改;③ 统角色及权限管理:可对定义系统角色及角色权限;

4.3平台数据库设计

4.3.1数据库设计原则 辅助教学平台，所涉及到一个重要的问题是怎样才能有效管理各种有效信息和资源，数据库在其中起着非常重要的作用。

数据库的设计有以下一些原则:用全局E-R图技术设计数据库（实体关系图）组织所有的原始数据，实现了全局数据集成;划分数据库设计阶段将一切问题在概念设计阶段彻底解决，这些问题通常包括唯一性、非空性、缺省值、域值、主键、外键等。

数据库的设计主要包括以下方面的内容，数据库命名设计:数据库服务器的命名，数据库的命名，数据库对象的命名;数据库一致性、完整性和安全性设计。

SQL Server数据库系统具有完备的大型数据库一致性、完整性和安全性控制措施，必须加以充分运用，以保证系统的稳定性。

要注意主键与字段的唯一性，对每个数据库表定义主键（自动索引并具备唯一性控制），通过指定表的主键，保证每一行的唯一性从而实现实体完整性。引用完整性基于定义主表与辅表之间的主键与外键的关系，保证各辅表外键对主表主键从属关系的一致性。

索引和查询策略在查询中对于具有大数据集合的字段，必须设置索引或复合索引，保证查询的速度性能对于绝大部分常用查询能够保持在性能要求以内。

数据库的安全性可以按Windows2000方式设置用户访问数据库的账号和口令，然后根据数据库应用权限的划分设计各数据库及其对象对各用户的许可。

4.3.2数据库的逻辑设计

由于RDBMS是以二维表为基本管理单元的，所以E一R模型最终是由二维表及表间关系来描述的。换言之，E一R模型向数据库概念模型的映射就是向数据表的变换过程。

由于在E-R模型中，己将实体间的关系，按照数据库范式和约束进行了合理的分解。在此可利用Visio工具，直接有E一R模型得到数据库表。生成数据库表如下: Users用户信息表，表中储存系统中全部用户的相关信息，主键为用户IDUsedD，另外还有用户名，密码，email地址等字段。

UserRoles用户角色映射表，表中存储用户类型，主要用于定义用户与角色之间的映射关系，主要字段:UserID，RoleID，Type。

Roles角色定义表，存储系统所有角色的信息，主键为RoleID，还包括SystemID，RoleName，RoleDiscr等字段。

Coursewares课件信息表，存储课件的相关信息，主键为Courseld，还有CourseWar，Issue，Descripti，AuthorlD等字段。

EResources资源总表，存储资源的相关描述信息，主键为ResourceID，还有字段为：资源名称，资源存放地址，资源类型等字段。

另外还有Classes课堂信息表，ClassRCCatalogs课堂资源分类信息表，ClassRCSharelevelS课堂资源共享级别表，ClassRC课堂资源表，CoursePlan课程大纲表，Diseussion公共讨论模块表，ERAssoeiateCourseS资源课程关联信息表，EResoureeCatalogs资源分类信息表，EResoureeltems资源条目表，HtmlText公共文档模块表，Links公共链接模块表，News公共新闻表，MsduleDefinitions模块定义表，Modulesettings模块设置标，Modules模块总表，Systems系统定义表，Tabs系统标签表，UserlogDetails用户系统日志明细表，Userlogstatities用户系统日志统计表，useriogs用户系统日志表等几十个表。

数据设计完成以后，再由powerdesign自动生成针对不同数据库的物理结构，可以真正实现与物理数据库无关。

4.3.3主要数据库的物理设计（1）模块定义数据表的物理设计

（2）用户数据表的物理设计（3）资源分类信息表的物理设计

(4)角色定义表的物理设计

(5)资源总表

(6)课程公告表

4.3.4数据库关系图

网络辅助教学平台的数据库关系图:如图4-5:

图4-5数据库关系图

第六章基于WEB的网络辅助教学平台的测试与应用

6.1功能测试

6.1.1测试目的

测试是为了使系统的能最终满足用户的需求，目的在于发现错误。一个好的测试用例在于发现从前未发现的错误;一个成功的测试是能发现从前未发现的错误的测试。6.1.2测试原则

（l）尽早地、不断地进行软件测试。（2）测试用由测试输入数据和与之对应的预期输出结果两部分组成。（3）测试不能由开发者单独进行。

（4）设计测试用例，包括合理的输入条件和不合理的输入条件。（5）充分注意测试中的群集现象。

（6）在对程序进行修改后，进行回归测试。6.1.3测试内容

（l）测试内容包括对“需求分析”、“功能模块设计”和“数据库设计”等文档的审查，由此三文档所产生的其他测试工作也在本次测试活动范围之内。（2）鉴于网站稳定性很重要，所以本次测试活动包括:  配置测试

 界面布局测试  性能测试:对以下模块进行功能测试:教师、学生及管理员用户登录;教学支持模块功能:教师(学生)是否可以进入与传统课堂对应的网络课堂在线进行教学活动，教师能否发布公告、课件、作业、教案的上传与下载等，学生能否查看课堂教学资源，网上在线测试功能，网上作业系统功能，BBS的相关功能的实现;教学资源的管理及   检索功能;教务管理功能;管理员对用户、资源、平台设置的管理功能等。安全性测试 接口文件测试

病毒测试

其中性能测试是重点内容。

6.1.4测试步骤（l）测试资源: 测试人员:2人(一名学生，一名教师);系统平台:WinZOOO或WinXP及以上;其他软件:WOrd等;硬件:计算机2台(工作站1台、服务器1台):网络:互联网;其它资源:暂无（2）测试方法 ①单元测试

这是在编写完源程序，通过人工测试和计算机测试来完成的。本研究因没有组成开发小组，因此由笔者自己来完成。

②集成测试

集成测试是随软件装配的同时进行的测试。根据组装模块方式的不同，分自顶向下结合和自底向上结合模块两种测试方法，本研究采用的是自顶向下结合的方法进行集成测试，在单人非专用的机器上测试。

④ 统测试

在网站上充分运行了本系统，验证系统各部分是否都能正常工作，并完成所赋予的务。为了验证系统的安全、强度和性能，可以进行对系统的进行合法和非法的访问和破坏性试验。

（3）测试结果

经过严格的测试，最终确定本系统的各模块的功能基本都能实现。测试提出以 下两点问题:答疑模块功能还需要进一步完善，系统相关模块的统计功能需加强。

6.2应用状况

6.2.1总体应用状况

本平台于2004年12月完成开发工作，于2005年3月完成功能测试工作，从2005年4月正式面向学校教师和全日制本科学生开放使用，据统计使用网络辅助教学平台进行辅助教学的课程达到100门左右，使用的学生近千人，入库的各类教学资源达700G（具体资源建设情况见表6-l），平台运行情况稳定，没有出现大的故障。

表6-1资源建设情况表

6.2.2教学试点改革情况

2005年底学校启动了公共理论课程教学改革试点工作，在《邓小平理论与“三个代表”重要思想概论》和《法律基础》两门公共理论课程中全面利用网络辅助教学平台开展教学工作，公共理论课部的3名教师和200多名学生参加本次试点工作，学生在选课时可以根据个人意愿选择课堂教学或网上教学中的一种模式进行学习，选择网上教学的学生可以不参加课堂学习，但必须通过网络辅助教学平台进行公共理论课程的学习，教师通过平台进行相关教学组织和管理工作，包括提供同步教学录像、网络课程和相关教辅资料、发布课程信息、答疑辅导、组织课程讨论、发布平时作业等相关教学资源，学生不进课堂就可以获取课堂教学的全部教学信息和资源，同时学校将根据学生网上学习时间、网上交流情况、作业情况等几方面确定学生平时成绩，课程学习结束后试点学生要参加学校统一组织的考试，经过测试，我们发现通过网上辅助教学的学生成绩稍优于课堂教学，这说明网络辅助教学模式是受教师和学生认可的，网络辅助教学平台在整个试点教学过程基本保持了比较稳定的状态，性能经受住了考验。湖北电视台和楚天都市报等相关媒体还对我校此项网络辅助教学改革工作进行了专题报道。

6.2.3教学应用反馈情况

2006年3月一5月，为了进一步完善和优化网络辅助教学平台的功能，学校教务处、宣传部针对网络辅助教学平台的教学应用情况对在校学生进行了网上问卷调查，共有300多学生参加了调查活动，通过调查发现，学生在总体上对网络辅助教学模式表示认可，80%以上学生对学校网络辅助教学平台的功能设计表示满意，但也有39%的学生对网络辅助教学平台还缺乏了解，认为学校应加强宣传和引导工作;有45%的学生认为平台应首先加强教学资源建设;有34%的学生认为平台可增加更多的交互环境，如:博客平台等;有24%的学生应加入人工智能功能，如:答疑自动反馈系统、智能测试系统等。针对以上学生反馈的意见，我们正在整理相关需求，准备进行二次开发，完成平台版本升级工作。

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1 系统概述

系统由三个部分组成,即视频服务器、视频点播客户端及MPlayer播放器。视频服务器主要提供片源服务,本系统选择Linux下的vsftpd作为服务器软件。首先,服务器启动FTP服务,提供视频信息服务,当客户端软件启动时,用户可以向视频服务器请求节目资源,获得资源后更新客户端播放列表,此时用户可以点播播放列表中的视频资源,通过视频服务器实时传输媒体数据,客户端接收视频数据并播放;用户也可请求扩展存储U盘中节目资源,更新客户端播放列表,通过点播播放列表,播放视频信息;用户还可以通过打开文件对话框,寻找本地的视频文件,进行视频点播。

2 系统设计与实现

2.1 硬件环境

系统硬件采用Mini2440的ARM9开发板,它采用Samsung S3C2440微处理器,该处理器采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行的稳定性,视频输出在3.5寸的LCD屏,板载64 M SDRAM与256 M的Nand Flash,提供一个100 M以太网RJ-45接口(采用DM9000网络芯片),一路立体声音频输出接口,一路麦克风接口,一个USB Host,一个USB Slave B型接口和一个SD卡存储接口。

2.2 播放器

MPlayer是GNU/Linux平台上一款开源的多媒体播放器,它能播放几乎所有流行的音频和视频格式,播放器本身自带了多种类型的解码器,并且广泛地支持音视频输出驱动。MPlayer播放器具有启动快、占用内存少的特点。播放器启动后,主程序mplayer.c文件负责分流、解码、输出3个模块的文件调度。

2.3 视频点播客户端的设计

2.4.1网络播放模块设计

网络播放模块通过设置FTP服务器的IP地址,连接到服务器,获取服务器上的视频节目后,更新到客户端的播放列表中,用户再根据自己的需要点播视频。

将服务器的视频信息更新到客户端播放列表的核心代码如下:

2.3.2调用MPlayer播放器

MPlayer播放器在开发板中的播放界面,默认是从(0,0)坐标位置开始,为了使播放器能够准确定位,修改MPlayer安装目录的libvo目录下vo＿fbdev.c文件,更改为d=center+fb＿line＿len*(y+25)+fb＿pixel＿size*x (从坐标(0,15)位置开始播放)。

3 系统验证

基于嵌入式Linux平台的视频点播系统,以其直观的图形界面与用户进行交互,通过调用MPlayer播放器,解决了视频编解码问题,系统利用自动挂载U盘,一定程度上解决了嵌入式设备存储容量小的缺陷。后续的工作将针对局域网,将该系统应用到更多的实际场景中。

摘要：基于嵌入式Linux操作系统和Mini2440开发板,开发了一套C/S架构的网络视频点播系统。首先,以Linux系统中的vsftpd作为服务器软件,建立FTP站点服务;其次,客户端采用QTE图形界面,显示网络服务器和扩展存储设备上的视频节目信息;最后,通过调用MPlayer播放器控件播放点播视频。测试证明本系统具有良好的播放性能和较好的用户体验。

关键词：嵌入式Linux,视频点播,MPlayer播放器,C/S模式

参考文献

[1]孟庆昌,牛欣源.Linux教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

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Research and Development of the Remote I/O Data Acquisition System Based on Embedded ARM Platform

INTRODUCTION

With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM

The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of

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electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS)makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system

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THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM

The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor

The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used for monitoring and control

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after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port

conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit

Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX)directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure4.Diagram of ADC signal circuit

Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need five lines which are CS(chip select), SCLK(system clock), DIN(data input), DOUT(data output)and DRDY(data ready).As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure5.Diagram of system reset circuit

SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS)uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure6.Functional tasks of the system software

Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow

Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D

conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX), amplifier and analog to digital converter(ADC).苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure8.Diagram of the application transfer driver

Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure9.Diagram of serial receive

Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice，two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS

With the rapid development of the field of industrial process control and the

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wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.苏州大学本科生毕业设计（论文）

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发

导言

随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。

在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。

整个系统的结构设计

基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。

基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。

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系统的硬件设计

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。

图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。

由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。

系统软件的设计与实现

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基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。

该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。

图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。

图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。

图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。

图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。

由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如

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果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。

结论

随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。

基于嵌入式平台的网络化OTDR模拟训练系统设计论文 篇4

随着电力系统的飞速发展,对微机保护提出了更高的要求,传统的微机保护装置已经不能满足要求,目前32位微处理器以其优异的性价比在微机保护系统中的应用已逐渐普及。本设计采用ARM和DSP构成双处理器系统,由于涉及网络通信协议、复杂的图形界面、大量的数据文件管理等内容,所以底层开发平台采用嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux具有源代码开放、开发成本比较低、容易获取技术支持等特点,并且图形界面比较丰富。装置的用户界面设计采用目前比较流利的Qt/Embedded软件,Qt/Embedded作为一种优秀图形界面软件,具有丰富的库函数,为高性能的图形用户界面的开发提供了便利。

1 硬件部分

硬件平台采用模块化设计,主要包括三个部分:双核主控系统、模拟量输入系统和开关量输入和输出系统。各个模块采用插件结构,硬件结构包括采用的芯片等,整套装置采用基于母板连接的多插件结构,各插件按功能划分为交流输入插件、DSP保护插件、带有ARM芯片的人机界面及通信管理插件、A/D采样及转换插件、操作回路插件、电源插件。各插件之间通过母板实现电气联系,各插件功能明确、结构清晰,这样设计给设备维修带来了便利,提高了装置的可靠性及抗电磁干扰的能力。

1.1 主控系统及通信

CPU主控系统分成两部分,由ARM9芯片和DSP芯片组成。整个硬件结构如图1所示。ARM主要用于嵌入式操作系统的控制、人机界面的显示、键盘控制以及各种通信协议的控制。ARM9芯片S3C2410A是一款由Samsung公司设计的低功耗、高集成度的微处理器,它基于ARM920T核,核心频率为202 MHz,具有丰富的外设。本系统以ARM9芯片为核心,它强大的性能、丰富的接口以及优异的性价比,为微机保护的研究提供了无限的空间。

在微机保护系统中,DSP主要完成数据采集和处理以及保护的各种计算和逻辑判断,数据的采集与处理所占用的时间,与运行保护运算程序的时间相比要长得多,要提高保护运行的速度就必须提高数据采集与处理的速度。本设计采用的TMS320VC5402是TI公司推出的性价比极高的定点数字信号处理器,它具有先进的多总线结构(三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线);其数据/程序寻址空间为1 M×1 6bit:内置4 K×16 bit P/DROM和16 K×16 bit DARAM;此外,该DSP内含两个多通道缓冲串行口,两个16位定时器以及6通道DMA控制器,一个8位并行与外部处理器通信的HPI口。

DSP与ARM之间有许多连接方式,比如利用双口RAM,但是它们都要占用DSP的处理时间,在要求苛刻的场合可能会影响到系统的实时性。而HPI(Host-Port Interface)接口则通过DSP片内的DMA控制器来访问片内存储器,它不需要DSP的干预。只有当HPI接口和DSP同时对同一地址进行访问时,由于HPI具有访问优先权,这时DSP的执行才会被延迟一个周期,而这种情况对系统实时性的影响是非常小的。

主机接口HPI是TMS320v54x系列定点芯片内部具有的一种接口部件,用于DSP和主机之间的通信,组成主从结构的系统。采用这种通信方式,完全没有硬件和软件开销,而是由DSP自身的硬件来协调冲突,从而不会打断DSP正常程序的运行。在HPI通信方式下,DSP的片内存储器对外界完全透明,由主机通过访问HPI的地址和数据寄存器来完成对DSP片内存储器的读写。以PC机为主机,通过HPI来监控DSP的运行可以充分利用ARM主控芯片上丰富的资源,组成完整的主从结构系统。其接口电路如图2所示。

基于上述分析,通过硬件的特殊结构及集成电路的优化设计,使得DSP芯片具有很高的运行速度,充分发挥DSP的数字信号处理能力,可缩短整个系统的运行时间。在双核微机保护系统中,将控制数据采集部分和数据处理的任务都交给保护DSP承担,可以利用DSP强大的数字运算能力来进行快速、高精度的数据处理,由起监控作用的ARM芯片完成装置的总起动和人机界面、后台通信功能,这样减少了数据处理以及故障响应的时间,提高了装置的性能。

1.2 模拟量输入系统

模拟量输入系统包括电量变换器、模拟低通滤波器(ALF)及采样保持电路(S/H)、多路转换开关(MPX)以及A/D转换电路。

模拟量输入系统通过各种输入变换器将电压互感器提供的二次电压,电流互感器提供的二次电流进一步变换,以适应A/D采集的要求。同时,输入变换器还担负着在二次回路与继电保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽的作用,以保障人身及保护装置内部弱电元件的安全,减少来自高压设备对弱电元件的干扰。

虽然TMS320LF2407芯片内置16路采样/保持的模数转换模块(ADC),但由于位数只有10位,无法满足微机保护对模数转换器的精度要求。考虑到各种转换误差,为提高数据采集的分辨率和测量精度,在实际的微机保护中大多采用保护CPU外接A/D采集芯片的方法。

本系统采用Maxim公司生产的MAX125芯片来实现信号采集功能,MAX125芯片为14位分辨率,通道转换时间3μs的高速模数转换器。该芯片集多路开关、采样保持器和A/D转换器这3个环节于一体,节省了数量众多的的采样保持器件和多路转换开关的位置空间,降低了成本,增强了可靠性。MAX125内部还有14×4的数据缓冲区,可以暂存采样数据中间转换结果,节省CPU用于中断操作的开销,采用MAX125将会极大地提高微机保护装置的数据采集能力,同时简化了电路设计与调试。因此,该芯片是一款非常适合高速数据采集的芯片,被广泛应用在电力系统中。

1.3 开关量输入和输出系统

开关量输入和输出系统包括光电隔离器件以及继电器。由于直流开关量的分合期间会产生强烈的瞬时脉冲干扰,所以开关量输入部分必须采取一定的抗干扰设计,如光电隔离、低通滤波等。

整个系统硬件部分运行的过程中,被保护元件的模拟量经过电流互感器和电压互感器进入微机保护的模拟量输入通道。由于需要同时输入多路电压或电流,因此需要配置多路输入通道。在输入通道中,电量变换器将电流和电压转换成适合于微机保护用的低电压量,再由模拟低通滤波器滤除直流分量、低频分量和高频分量以及各种干扰波后,进入MAX125芯片。在芯片内部采样/保持(S/H),将一个在实际上连续变化的模拟量转换为在时间上的离散量,完成对输入模拟量的采样。通过芯片内部的多路转换开关将多个输入电气量按输入时间前后分开,依次送到模数转换器,将模拟量转换为数字量输入DSP系统进行运算处理,判断是否发生故障,通过开关量输出通道输出,经过光电隔离电路送到出口继电器发出跳闸脉冲给断路器跳闸绕组YR,使断路器跳闸,切除系统故障部分[1]。ARM控制部分的作用是建立微机保护与使用者之间的信息联系,以便对装置进行人工操作,并且监控管理软件系统承担人机接口管理及对内对外进行通信联系的任务。

2 软件部分

保护装置的软件系统按功能分为两个子系统,DSP保护软件系统和ARM监控管理软件系统,两者分别运行于DSP保护模块和人机界面及通信管理模块上,而它们之间则通过HPI接口交互数据。DSP保护软件系统是保护装置的核心部分,它直接决定了装置保护功能的实现,在本装置中,软件采用层次化的设计,平台架构层、应用层和驱动层由上至下分工明确,接口简洁,每一层则由不同的软件模块搭建而成,构成了软件系统的有机整体。

2.1 嵌入式开发环境的架构

嵌入式系统所需要的环境有内核、Bootloader引导程序、根文件系统。

Bootloader通俗地讲就是系统启动运行的第一个程序,所起的作用就是在操作系统内核运行之前,初始化硬件设备,建立内存空间的映射,为操作系统运行创造一个良好的环境,然后加载操作系统,嵌入式Bootloader和硬件联系紧密。常见的Bootloader有好多种,本设计选用VIVI引导程序。内核选用Linux2.6.22的内核,根文件系统可以通过Busybox定制相关的文件系统。嵌入式系统的构建是个比较复杂的过程,由于篇幅有限,以上三项具体的配置和建立过程不再详述。

当以上文件建立好之后,先通过并口把VIVI引导程序烧写到ARM9的闪存(Flash)中,然后通过Windows操作系统的超级终端把内核和根文件系统烧写到Flash中,至此,基本建立了嵌入式Linux系统的环境。

2.2 GUI程序设计

随着电力系统自动化水平的日益提高,要求电力自动化装置调试操作更加方便,人机界面更加友好。软件部分GUI程序使用Qt/Embedded软件进行系统的界面设计,Qt/Embedded可以提供丰富的图形元素,以及方便的应用编程接口,开发出高质量的人机界面[2]。

Qt/Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech公司开发的面向嵌入式系统的Qt版本。因为Qt是KDE等项目使用的GUI支持库,许多基于Qt的XWindow程序因此可以非常方便地移植到Qt/Embedded上。Qt/Embedded以原始的Qt为基础,做出了相应的调整以适用于嵌入式环境。Qt/Embedded通过QtAPI与Linux I/O直接交互,成为嵌入式Linux端口。Qt/Embedded不需要有X服务器或者是Xlib库,采用framebuffer(帧缓存)作为底层图形接口。同时,将外部输入设备抽象为keyboard和mouse输入事件。Qt/Embedded应用程序可以直接写入到内核缓冲帧。

Qt/Embedded延续了Qt在X上的强大功能,在底层摒弃了Xlib,仅采用framebuffer作为底层图形接口。同时,将外部输入设备抽象为keyboard和mouse输入事件,底层接口支持键盘、GPM鼠标、触摸屏以及用户自定义的设备等。

Qt/Embedded类库完全采用C++封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是Qt/Embedded最为优秀的一方面。它的类库接口完全兼容于同版本的Qt-X11,使用X下的开发工具可以直接开发基于Qt/Embedded的应用程序GUI界面。

另外,在开发嵌入式图形用户界面时,结合Qt自带的Qtdesigner可以让用户在极短的时间创建一个图形化的用户界面,大大缩短产品的开发周期。利用Qt/Embedded做监控系统开发,不仅能极大丰富人机交换信息,提供高质量显示效果,优化程序结构,具有强大的网络功能,而且由于其开源性,大大节省开发和维护成本。该嵌入式操作系统的开发平台有着极强的移植性和扩展性,能够适用于大多数微机保护监控系统,将是今后微机保护监控系统开发的主流平台之一。

2.3 算法选择

微机保护中的一个基本问题就是将连续的电流、电压输入信号寻找适当的离散运算方法,通过离散采样和模数变换转换成可以用于计算机处理的数字信号,从而实现一定的保护功能,使运算结果的精度和算法的速度能满足工程要求。

微机保护中采取的算法主要有四类:(1)基于标准正弦波模型的交流采样算法;(2)基于周期函数模型的交流采样算法;(3)基于随机函数模型的交流采样算法;(4)基于简化的输电线路阻抗模型算法。

傅氏算法是目前运用比较广泛的算法之一,傅氏算法的优势是,它不仅能完全滤除各种高次谐波和纯直流分量,而且对高频分量的抑制效果也是令人满意的,最初提出的固定窗长的离散傅里叶算法中,全周傅氏算法能有效地消除高次谐波和直流分量,算法稳定性好,精度较高。但是该算法的响应时间是一个周期,对出口故障不能使保护快速响应,而且当存在衰减直流分量时,算法精度降低。

为了弥补这些缺点,通常使用半波傅氏算法和全波傅氏算法以加速故障切除,由于半波傅氏算法不能滤除偶次谐波和直流分量,精度较差,故只能切除出口或近处故障。另一方面为消除衰减直流分量的影响,可以先对输入信号执行一次差分处理,然后进行傅氏计算。因此,在需要快速切除故障的场合,基于半波的傅氏算法较为适用,而在需要精确计算故障量的场合,改进过的全波傅氏算法性能比较高[3]。

3 结语

嵌入式技术的不断发展,为微机保护装置的开发提供了更强有力的支持,为实现复杂的保护功能提供了可能。以嵌入式实时操作系统为基础,结合图形用户界面设计软件和32位高性能微处理器,这种架构必将是今后微机保护装置监控系统研制的发展方向。

参考文献

[1]刘学军.继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]罗强,游大海,何红艳.基于嵌入式GUI的电力自动化设备人机界面设计[J].电力自动化设备,2004,24(9):63-66.