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犬ｉｌ裡－大學ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ工睡ｌｉ士室位论文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现的工胃工程领域作者姓名指导教师２１５６Ｊ｜答辩日期＿＿＿Ｑ＿＾＿ 专业学位硕士学位论文基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒＲｅｍｏｔｅＭｅｔｅｒＲｅａｄｉｎｇＴｅｒｍｉｎａｌＢａｓｅｄｏｎＧＰＲＳ作者姓名：田洪滨工程领域：电气工程学号：４１２１３０２２指导教师：戚栋完成日期：２０１５．０６．０２大遠现工丈摩ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他巳申请学位或其他用途使用过的成果一。与我同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目■：基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现作者签名：４日期：Ｕ／年ｆ月日—树Ｓ 大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要智能抄表系统是近些年逐渐发展并成为主流的抄表系统，，通常由计量表、釆集器抄表终端和计算机主站系统组成。抄表终端抄收釆集器釆集到的电能数据，汇总处理后传送到计算机主站上，取代传统的人工抄表方式。该种抄表方式具有节省人工、抄表数据准确可靠等特点。智能抄表系统符合未来智能电网发展的要求，在无线网络和大数据时代背景下，可以优化电网管理。因此研究远程智能抄表系统有很好的应用前景。ＴＩ公Ｃｏｒｔｅｘ－Ａ８处理器ＤＭ３７３０为主控制器Ｅｉ本文釆用司的，采用Ｓｏｎｙｒｃｓｓｏｎ公一司的ＣＰＲＳ无线通信模块ＧＲ４７为核心，设计开发了新代远程智能抄表终端。该智能一终端可以提供种投资少、通信准确可靠、性能高的远程抄表和控制方案，对用户端的用电数据进行有效的、及时和准确的采集、统计与分析。本文首先对智能抄表系统的研究背景和发展现状进行了分析和研究一。指出了上代抄表器的发展瓶颈。其次分析比较了常见的电能数据传输方式，最终选则通过ＧＰＲＳ无线通信方式进行数据传输。论文中详细分析了该终端的硬件方案，重点探讨了各个功能模块的电路，给出了详细的设计方案。对ＰＣＢ设计进行分析，对电路板的叠层设计、电源的布局布线、时钟信号和复位信号的布线重点分析。论文最后对系统的启动测试进行研究－ｂｏｏｔ、Ｋｅｒｎｌ，分析了Ｌｉｎｕｘ系统启动所需的Ｕｅ以及文件系统的移植和制作方式，。并进行系统的启动测试，为软件设计人员提供了可靠的硬件环境本文最后对所做的工一作进行总结，指出不足之处以及进步研究的方向。关键词：智能抄表ＤＭ３７３０ＧＰＲＳＬｉｎｕｘ；控制器；无线通信；嵌入式系统－－Ｉ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现ＤｅｓｉｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｒＲｅｍｏｔｅＭｅｔｅｒＲｅａｄｉｎＴｅｒｍｉｎａｌＢａｓｅｄｇＲｏｗｅｇｏｎＧＰＲＳＡｂｓｔｒａｃｔＳｍａｒｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｓｔｅｍｅｖｏｌｖｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｅａｒｓａｎｄｈａｄｂｅｃａｍｅａｍａｉｎｓｔｒｅａｍｍｅｔｅｒｙｙｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｂｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｔｅｒｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｏｒａｎａｔｈｅｒｏｒａｎａｎｄ，ｇ，ｇｇｃｏｍｐｕｔｅｒｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｓｓｔｅｍｃｏｌｌｅｃｔｓｔｈｅｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｎｍａｃｈｉｎｅ．Ｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｄａｔａｙｇａｎｄｔｈｅｎｓｅｎｄｓｔｈｅｍｔｏｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｍａｉｎｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｒｅｐｌａｃｅｓｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｎｕａｌｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇ．Ｉｔｓａｖｅｓｔｈｅｌａｂｏｒａｎｄｇｅｔｓｄａｔａａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｓｍａｒｔｍｅｔｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓｍａｒｔｇｒｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓａｎｄｌａｒｇｅｄａｔａ，ｉｔｃａｎｍａｎａｇｅｔｈｅｇｒｉｄｂｅｔｔｅｒ．Ｓｏｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｍａｒｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｅｔｏｏｄｒｏｓｅｃｔｓ．ｇｇｐｐＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｓｍａｒｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｉｃｈ－ｗｈｔａｋｅｓＣｏｒｔｅｘＡ８ｍｉｃｒｏｒｏｃｅｓｓｏｒＤＭ３７３０ａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄＧＰＲＳｍｏｄｕｌｅＧＲ４７ｐ，ｕｓｅｄｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒｏｃｅｓｓｉｎ．Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｅｎｔｓｓｔｅｍｃａｎｒｏｖｉｄｅａｋｉｎｄｏｆｐｇｇｙｐｒｅｍｏｔｅｍｅｔｅｒａｎｄｒｅａｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｗｈｉｃｈｈａｓｌｅｓｓｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｅｔｓｈｉｈｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｔｇｇｐｃａｎｃｏｌｌｅｃｔａｎｄａｎａｌｓｉｓｔｈｅｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｏｅｒａｔｉｏｎｄａｔａｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｔｉｍｅｌａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌ．ｙｐｙ，ｙｙＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｓｍａｒｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｓｔｅｍ．Ｐｏｉｎｔｏｕｔｔｈｅｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｖｉｏｕｓｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｔｅｒｙｐｐｇｒｅａｄｉｎｇ．Ａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｅｎｅｒｇｙｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ＡｔｌａｓｔｉｔｓｅｌｅｃｔｓｔｈｅＧＰＲＳｍｏｄｅａｓｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅａｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｉｎｐｐｄｅｔａｉｌｓ，ｉｖｅｓａｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｏｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅ．ＩｔａｎａｌｓｅｓｔｈｅＰＣＢｄｅｓｉｎａｎｄｇｇｎｙｇｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｄｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｌａｙｏｕｔ，ｔｈｅｃｌｏｃｋａｎｄｒｅｓｅｔｓｉｇｎａｌｌａｙｏｕｔ．ＤｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅＬｉｎｕｘｓｙｓｔｅｍｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆＵ－ｂｏｏｔＫｅｒｎｅｌａｎｄｆｉｌｅｓｓｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｓｔｅｍｔｔｔ．Ｉｔｉｄｅｓｔｈｌｉａｂｌｅｈａｒｄｗａｒｅｍｎｅｅｄｓｏｓａｒｒｏｖｅｒｅ，ｙｙｐｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｒｓ．Ｆｉｎａｌｌｆｌｉｉｓａｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｗｏｒｋｔｈａｔｄｏｎｅｙ，ｐｐ，ｉｄｎｔｉｆｈｈｏｉｎｓａｈｅｙｔｅｓｒｔｃｏｍｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃ．ｇＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＳｍａｒｔＭｅｔｅｒＲｅａｄｉｎｇ；ＤＭ３７３０Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＧＰＲＳＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＥｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘＳｙｓｔｅｍ－－ＩＩ 大连理工大学专业学位硕士学位论文．目录ｍ＾ＩｔｒｔＩＩＡｂｓａｃ１■１１１．１选题的背景及意义１２．２国外智能抄表发展现状■３１．３国内智能抄表发展现状１．４本文的主要工作和创新点３１．５本文的主要内容和结构安排４２智能远程抄表系统的技术分析５２．１远程抄表系统结构５２．２常见的几种电力通信传输方式６２．２．１光纤通信传输６２．２．２电力线载波传输６２．２．３电话线通信传输７２７．２．４ＧＰＲＳ通信传输８２．３基于ＧＰＲＳ通信的智能抄表系统结构２．４电能釆集表与智能终端之间信号传输方式９２．５本章小结１０３ＧＰＲＳ电！１１基于能抄表终端的硬件设计３．１釆集终端方案的对比选择１１３．２主控制器的对比选择１１３．３ＤＭ３７３０主处理器介绍１３３．４采集终端的硬件结构设计１４３．５系统硬件各部分原理图设计１５３１５．５．１ＦＬＡＳＨ与ＤＤＲ部分电路原理图３．５．２电源管理系统原理函１７３．５．３ＤＭ３７３０电源管理和上电时序控制电路１９３．５．４ＪＴＡＧ边界扫描测试接口２０３．５．５断电控制电路原理图２１３．５．６百兆以太网接口电路原理图２１３．５．７２２外部存储电路原理图－－ＩＩＩ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现，３口电路原理图２３．５．８ＲＳ４８５接３．５．９ＲＳ２３２接口电路原理图２４２４３．５．１０时钟模块３．５．１１系统复位模块２５３．５．１２ＧＰＲＳ模块接口２６３６２７．本章小节４终端的印制电路板设计２８４２８．１叠层设计４．２填充材料的选择３０４．３整体布局布线３０４．４ＤＤＲ分组等长布线３３４．５关键复位信号和时钟信号布线３４４．６硬件部分的调试．．．．．３５４．６．１ＰＣＢ的设计检查与辉接３５４．６．２系统的上电调试３６３７４．６．３各个接口电路部分的调试４．７本章小结３８５智能抄表终端的软件设计３９３９５．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统５３．２系统启动过程９５．３４１搭建幵发环境５．４编译启动代码４２一５－ｄｅ４２．４．１级启动代码Ｘｌｏａｒ编译和移植５－．４．２二级启动代码Ｕｂｏｏｔ的编译和移植４２５．４．３Ｌｍｕｘ２．６．３０版本内核的移植和裁剪４５４７５．４．４ＵＢＩｆｓ文件系统生成５．５软件系统调试４８５．５．１基于Ｌｉｎｕｘ系统的应用程序调试４８５４．５．２以太网数据传输业务调试９５．６本章小结４９＾：…■…５０－－ＩＶ 大连理工大学专业学位硕士学位论文参考文献５１附录Ａ附录内容名称Ｓ３５４攻读硕士学位期间发表学术论文情况？ｉｌｆ５５大连理工大学学位论文版权使用授权书５６－－Ｖ 大连理工大学专业学位硕士学位论文１绪论随着工业自动化的深入发展，信息时代的逐步到来，传统的人工作业正在逐步被自动化信息化的设备所取代。在大数据兴起发展的今天，人们的生活日趋便利。人们可以通过网络进行快捷的购物，通过网上银行方便的进行网上支付；人们通过网络可以足不出户的缴纳水电费。方便快捷的生活也给电网的发展提出了新的要求。传统的人工抄表，逐户收取电费的方式已经无法满足社会的发展需要。近些年国家不断投入资金对城乡电网进行改造，逐步将我国的电力系统提升到信息化、数据化的智能管理。电子信息技术的飞速发展，通信网络的发达，电力电子技术可靠性的提高为智能电网的发展和远程抄表信息化提供了技术支持和保证。目前的抄表技术已经基本上实现了全自动的远程抄表，只有少数偏远地区仍然釆用人工抄表的方式。远程抄表首先要解决的就是数据传输问题。抄表后的数据传输通常有光纤传输方式、电力线传输方式和无线的ＧＰＲＳ方式。如今移动通信业务高速发展，３Ｇ、４Ｇ网络普遍覆盖，移动数据业务应用也更为广泛。ＧＰＲＳ通信传输数据安全可靠和永远在线的特点，使得ＧＰＲＳ通讯在工业控制领域、环境保护领域、道路交通领域、商务金融领域、移动办公领域、和零售服务等领域中的应用具有无可比拟的性价比优势。远程抄表系统中，釆用ＧＰＲＳ无线网络的传输方式，完全能够取代光纤传输、电力线传输和电话线传输方式。一本文设计了款基于ＤＭ３７３０控制器的智能抄表终端，通过ＧＰＲＳ无线通信网络的方式把数据汇集到服务器。该终端具有釆集数据快速准确，能快速生成用电统计分析，？交费单据等特点，与传统的人工抄表、电话线抄表相比，极大地提高了效率，同时降低了应用成本。、本终端除了准确、实时抄表外，还提供了设备管理功能，如开箱告警、停电告警－２逆相告警、超温告警、过载告警等，８７，并提供停电数据保护功能在停电４小时内仍可抄表和监控。本系统设计了以太网口、ＲＳ２３２串口、ＪＴＡＧ接口和普通的１０口，可与电业系统的ＭＩＳ系统无缝链接，在其基础上可以进行二次开发。１．１选题的背景及意义一。本文课题来源于企业与学校的合作项目目的在于开发新代智能抄表终端，以满足未来智能电网发展的要求，同时替换目前广为使用的抄表终端。目前使用的抄表釆集器多是使用ＡＲＭ９控制器Ｓ３Ｃ２４１０，这款控制器已经面临停产，其运算速度和性能己经无法适应未来抄表系统发展的需要。－－１ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现科技的进步，使得人们生活日益的方便快捷，但同时也伴随着资源的日益枯竭，目前能源问题显得日益突出。如何高效的使用电力能源是每个国家都在深入研究的问题。近些年我国提出智能电网建设，加快用电管理的现代化。所谓的智能电网，是利用目前先进的传感器技术、计算机技术、通信技术、自动化技术以及网络传输技术等，配合目前已经成熟的输配电设备、用电和发电设备组成的新型结构的电网。它能够检测电网所、有的设备状态，控制电网所有的设备状态，可以自适应并实现自愈合系统的发电输配电和用电之间的优化平衡，从而使电力系统更加清洁、高效、安全、可靠。智能抄表可以实现准确、方便，、快捷、高效和同步的获取用户的用电信息是电网智能化的重要保障。与传统的人工抄表相比，智能抄表避免了人工抄表造成的误抄、漏抄，甚至伙同用户窃电，降低电网企业的损失。一新代智能抄表终端不仅要准确的实现电能数据的采集抄表，还要对采集到的数据进行分析计算，，如用电高峰的分析，月平均用电的大小是否存在偷用电行为，家庭用电中有无大功率工业用电器设备等。当出现过载，温度过高和停电等情况时，要进行报。警，通知电力企业和监管人员进行维护这些新的需求对未来的抄表终端提出了更高的一ｏｒｔｅｘ－Ａ８的ＤＭ３７３０处理器处理器是Ｔ处理要求，因此本设计选定了款基于Ｃ，该Ｉ一公司的款ＡＲＭ架构的处理器内部集成了６４位定点ＤＳＰ内核，提高了运算和处理速度。该处理器提供了丰富的外设接口，能，能够满足新的功能需求够保证长期的供货需求，产品持续在线时间不少于１５年。１．２国外智能抄表发展现状欧美等发达国家科技发展较早，智能电网的推广也早于我国，其远程抄表终端的发展起源于上世纪７０年代。美国在七十年代期间研究了基于电力线载波的无线抄表终端，并以此为基础实施了集中抄表系统。以英国为代表的欧洲国家在八十年代时成功幵发了基于低压电力线载波的远程抄表系统。到九十年代中期，经过了几十年的发展，远程抄表技术和集中抄表技术已经日趋成熟，并在欧洲美洲迅速发展。最具代表性的是英国的ＰＯＷＥＲＮＥＴ载波通信系统，该系统集成了远程抄表，配电自动化和用户用电管理等功能，网的管理提出了更高的要。日韩等国智能电网的发展紧随其后日本核电的发展对电求，因此日本在抄表系统和电能管理方面做了深入的研究，以满足其本土发展的需要，其设计了独特的基于电力线载波、光纤通信和电力线载波相结合的方式进行远程抄表系统。目前远程抄表不仅在欧美日韩等发达国家普及使用，我过以及其他发展中国家也在－－２ 大连理工人学专业学位硕士学位论文逐渐推广普及。各个国家和地区因为发展状况和环境因素的不同，所采用的传输技术也１［］不相同。１３．国内智能抄表发展现状与欧美日韩等发达国家相比，我国在远程抄表方面的研究起步较晚，进入九十年代后期，中国电力科学研究院和相关企业才开始进行自动抄表技术的研究。中国电力科学研究院历时四年时间的起草与修改，在２０００年底颁布了《低压电力用户集中抄表系统一技术条件》这文件，该文件成为中国远程抄表发展的里程碑文件。此后远程抄表技术逐渐被深入研究并试点推广。近年来伴随着电网的改革和智能电网的发展，智能抄表进入了飞速的发展期，我国已经可以实现远程抄表，网上缴费和磁卡缴费等买电方式。但是，我国的地域广阔，地貌复杂，用电用户分散等现状也给智能抄表提出了新的要求。我国远程抄表的发展先后经历了基于低压电力线载波技术、基于高压电力线载波技术、基于电话线传输的抄表技术和基于光纤传输的超标技术近些年随着无线电话网络的发展，逐步兴起了基于ＧＰＲＳ的远程无线抄表技术。该技术不受地理环境限制，抄收的电能信息通过无线电话网络进行传输，，避免了电力线载波技术存在的干扰问题与电话线抄表技术相比也降低了实施成本，既经济又可靠，已经成为未来智能抄表技术的主流。１４．本文的主要工作和创新点本课题来源于企业与学校合作项目一，目的是合作开发下代智能抄表终端，以解决目前智能抄表终端所用的Ｓ３Ｃ２４１０处理器面临的停产问题，在增加新的功能的同时也要提高抄表终端的性能，以满足智能电网未来的发展需求。一一本文在分析智能电网发展对新代抄表终端的需求的基础上，考察了上代抄表终端的架构设计，对比各种用电信息传输方式的利弊特点，结合当前技术水平，本着经济，５一［］实用和科学的原则，设计了新代智能抄表终端。本文设计的智能抄表终端一Ｓ种基于ＤＭ３７３０处理器的智能设备，设计选用ＧＰＲ传输方式进行数据传输，，避免了电力线传输方式不稳定而导致的数据丢失保证了数据传输的可靠性。设计了ＲＳ４８５接口，以太网接口，ＲＳ２３２接口，ＪＴＡＧ接口等丰富的外设接口，方便用户的使用和二次开发，。提供电阻式或是电容式触摸屏提高用户操作的灵，给予更舒适的用户体验活性。作者主要从事该终端的硬件研发工作，设计了基于ＤＭ３７３０处理器的原理图，绘制了ＰＣＢ电路板，并进行偉接后的启动和调试工作。经过测试，该智能终端的原型产品运行稳定可靠，能够满足未来智能电网发展的新需求。－３－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现本文的主要创新点如下：、－Ｃ１）ＴＩ公司ＣｏｒｔｅｘＡ８达到會通ＡＲＭ９本课题选用基于核心的处理器，该处理能处理器的四倍的处理性能，运算处理速度更快。目前使用给的抄表终端多是基于ＡＲＭ９Ｓ３Ｃ２４１０处理器核心的，该处理器已经面临停产，并且已经无法满足未来智能电网的发（２）选用ＧＰＲＳ无线网络进行数据传输，保证数据传输的可靠性。３Ｇ、４Ｇ技术的大力发展使得ＧＰＲＳ流量的资费变得很低，这，相比于基于光纤传输的抄表技术种方式的工程成本非常低。（３）本设计提供了多种标准接口，方便功能扩展和二次开发。若有新的功能需求，则只需要将功能模块以标准接口接到终端上即可。，不需要频繁的更换硬件设备１．５本文的主要内容和结构安排一本文共分为六个章节。一第章介绍了本文的选题背景及意义，讨论了国内外智能抄表技术的发展现状，列出了本文的主要工作和创新点，最后介绍本文的主要内容和工作安排。第二章对智能远程抄表技术进行综述，分析整个远程抄表系统的各个组成部分，并对其中关键的电能数据传输方式这一技术问题进行了优劣势对比分析ＧＰＲＳ模块的。对对比选型进行了重点分析。第三章对本文设计的抄表终端的硬件设计进行描述。详细介绍了各个功能部分的原理图，对控制器的电源管理电路，ＲＳ４８５通信接口电路和ＧＰＲＳ通信接口电路等做了重点描述。第四章介绍了该终端的ＰＣＢ电路板的设计。对电路板的布局，叠层设计等进行讨论，并将信号完整性知识运用到ＰＣＢ设计当中。对时钟电路、复位信号、电源模块等关键信号的布局布线做了分析。－ｂｏｏ第五章进行板卡的Ｌｉｎｕｘ系统启动分析，详述了板卡启动所需的Ｕｔ、Ｋｅｒｎｅｌ和文件系统的制作方式，并搭建开发环境。最后进行板卡的启动测试。为软件工程师提供了可靠的软件开发环境和接口。第六章对本文进行总结和展望。指出了本设计的不足之处，并对未来的改进进行描述。－－４ 大连理工大学专业学位硕士学位论文２智能远程抄表系统的技术分析远程抄表是要通过自动化技术信息技术等手段，在远程获取用户的用电信息，取代一人工挨家挨户抄表的方式。因此远程抄表系统首先要解决两大问题，其是要读取到用户的用电数据，其二是要将读取到的用户数据传输到电网的数据中心主站。数据获取终端要能够准确的采集到用户用电量，信息传输要保证数据传输准确可靠不丢失，并且在实际运行中要保证整个系统有较低运营成本。本章节主要对远程抄表系统进行综合分析。２．１远程抄表系统结构远程抄表系统通常由电能表、采集终端、集中器、传输网络和计算机主站系统组成，结构如下图２．１所。电电能釆示能表采集用户的用电数据，并传输到电能釆集终端中；集终端获取多个电表的数据，通过标准的工业总线将电能数据传输到集中器中，最后集中器将所有收集到的用户数据发送到电网的计算机主站系统中，集中器与计算机主站之间的数据传输通常有光纤传输方式、电话线传输方式、ＧＰＲＳ传输方式和ＰＬＣ传输方式６］［等。计算机主站系统光纤／电话线／ＧＰＲＳ／ＰＬＣ集中器？４８５总线‘‘１１电能采集终端电能釆集终端］丨ＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ１ＩＩ，Ｉ．，Ｉ■ＩＩ电表电表电表电表丨ＩＩＩＩＩＩＩ数字电能表Ｉ数字电能表ＩＩＩ！Ｉ图２．１远程抄表系统结构框图Ｆｉ．２．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｒｅｍｏｔｅｍｅｔｅｒｓｓｔｅｍｇｙ－５－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现一随着电子技术的发展和进步，通常将电表和釆集终端集成到起，设计成数字电能表。这种电能表能将用户的用电数据采集并数码显示，同时也能够通过总线方式传输到一集中器。通常釆用工业４８５总线方式进行传输。在住宅建筑中，通常每层或每几层布一一。Ｒ设个电表箱，每个电表箱内有个集中器和多个电能表Ｓ４８５总线最多可以同时挂接２５５个外部设备。２．２常见的几种电力通信传输方式计算机主站是收集用电信息的服务器，也是整个远程抄表系统的神经中枢，通常与。集中器相隔数千公里，因此采集到的电能数据的传输问题是抄表系统设计的关键可靠地传输方式保证了用户用电量的准确收集，也是广大用电用户公平合法用电的关键。通信方式的选择既要保证准确不丢包，同时也要考虑经济效益，保证电力公司较低的运营成本。、目前电能数据的传输主要有四种方式：光纤通信、电话线通信ＰＬＣ（电力线载波）通信、ＧＰＲＳ通信。这几种方式是随着科技的进步和社会大环境的发展而逐步发展起来的，性能各有优劣。２．２．１光纤通信传输光纤通信的抄表方式是以光纤为传输介质来传输用户的用电数据。这种传输放方式需要沿着用户一ｆｆｉ电线路重新架设条专用的光纤通信通路，作为数据传输的媒介。。〖光纤技术的发展和进步，使得该光纤通信技术在近几年获得了广泛的应用光纤通信的优点是容量大，传输速度快，传输距离长，稳定性高。由于是独立的通信通路，使。得其不受雷电和其他操作的影响，抗电磁干扰能力特别强，能够保证数据传输的可靠一但是由于是独立架设的条光纤通信线路、，因此也导致其实施成本较高２．２．２电力线载波传输电力线载波通信的抄表方式是将采集到的电能数据信号进行变频处理，将其叠加到所在的用户的电力配电线上，将已有的配电线路作为电能信息的传输媒介，进行电能信息的传输。这种传输方式的优点是成本低廉。利用已有的配电网络进行数据传输，不必额外架设通信媒介，相比于光纤通信和电话线通信，降低了实施成本，用户终端采集到的用电信息通过电力载波技术传输到计算机总站中。此种方式的缺点在于，用户的配电电网是相对较高的２２０Ｖ电压，并且由于电网用电量的突变，经常会导致电网电压不稳定，随－６－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文之会带来很多的干扰噪声，这些噪声会影响数据信号的传输，导致传输数据丢失或传输“”一错误的数据，经，，并且存在定盲区；其次这种方式传输数据较慢常造成信息拥堵无法传输大量数据；因为其不稳定并且传输数据较慢，所以无法将重要的控制信号通过８该种方式传输［］，比如开箱报警，过载报警，对用户进行拉闹断电。２．２．３电话线通信传输电话线远程抄表方式是将采集到的用户用电信息通过电话线网络进行传输，通过电一话线拨号方式传输数据。这种方式要租用电话线路，占用定的电话网络资源。电话线传输方式的优点在于传输电能信号成功率较高，并且传输过程中能保证数据完整不丢包，，可靠性较高。缺点在于这需要租用电话线网络，成本相对较高传输数据的速度较慢，无法满足目前大量数据的集中传输，传输的实时性不高，所占用的电话线一些关键的报警信息无法即可响应网络只能在电话线路空闲的时候进行拨号传输，，对影响用电安全。在某些偏远地区或是独立用户，若没有电话线网络，则无法使用该种方９［】式，无法全面的普及使用。２．２．４ＧＰＲＳ通信传输ＧＰＲＳ通信传输方式是利用移动无线网络传输方式传输用户的用电数据。这种方式要求集中器需具有ＧＰＲＳ无线联网功能一，并且需要花费定的流量资费。ＧＰＲＳ（ＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ）是通用分组无线业务的简称，是目前移动数据通信普遍使用的技术，是ＧＳＭ技术向３Ｇ技术过渡的技术。ＧＰＲＳ技术本身是基于ＧＳＭ技术的移动分组数据业务，在ＧＳＭ系统中集成ＧＰＲＳ模块，可以实现ＧＰＲＳ服务。ＧＰＲＳ技术的基本原理是在已有的ＧＳＭ网络上添加支持ＧＰＲＳ的数据节点和网关节点，通过这种方式这样可以实现移动终端接入以太网或是其他分组数据网络。目前的智能手机终端多是通过这种方式连接的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，３Ｇ和４Ｇ技术的成熟使得手机上网的速度大幅提高，成本也逐步降低。因此本设计采用与手机上网相同的模式接入到互联网ｉＧ［］络，既可以保证大数据的可靠传输，同时又可以降低成本，得到很好的经济效益。ＧＰＲＳ通信技术优势如下：（１）釆用无线通信方式，无需再布设专用的通信线路，相比与光纤通信与电话线通信，成本降低。（２）ＧＰＲＳ流量资费较低，当前的各大移动运营商对流量资费都定制了各种套餐业务，套餐资费也都很低，相比于电话线传输方式，成本低很多，并且当前移动电话的飞速发展使得座机电话使用率降低，很多家庭和地区已经不再使用座机电话。（３）传输速率较高，在现有普及的３Ｇ网络下可以达到下行１２０ｋｂ／ｓ的传输速率。－７＿ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现（４）较高的网络资源利用率。ＧＰＲＳ技术采用的是无线分组的传输模式。该传输模式只有在下行接受数据和上行传输数据的时间片内才会占用资源，其他时间不占用资源也不产生ＧＰＲＳ流量。（５）网络接入时间短。分组交换接入时间少于Ｉｓ，能提供快速即时的链接，可以传输重要的控制信号。２３．基于ＧＰＲＳ通信的智能抄表系统结构基于ＧＰＲＳ的电力远程抄表系统由电度表、集中器、ＧＰＲＳ通讯终端和用户后台服一务器及后台分析软件（合成为主站）组成。该系统将ＧＰＲＳ通信终端和集中器集成在。ＧＰＲＳ起构成智能抄表终端集中器的主要功能是实时采集多个电表的用电数据，通过通讯终端将数据发送至监控中心的后台服务器，由服务器上的分析软件对数据进行汇总，计算出用电费用分析，形成各种报表数据。这种系统除了实现基本的抄表功能之外，，如停电告警、过载告警等还提供了对设备的管理功能。若用户存在欠费或是偷用电行［＂］为，可以对其进行远程拉闸控制。基于ＧＰＲＳ传输方式的抄表系统结构如下图２．２所不０＇刚，Ｌ．－—＂－—．＇ｆｉｙｒ和ｆＴｎｒｉｒｒ丨．摘土二—ｊ＼ｍｉ．，￣”？－厂３５＾ＩＨｊ＾－ｇｒｓ■ｎＬｒｉ；』轉？、ｒ：＇＂－、，：－＿ｉＩ．ｇｆ；■‘ｉ＼＿＿＿＿＿＿＿＿Ｉ暴Ｓｌ％ｆ？ｉｐ＇＼—－Ｕ１ｎｉｌ＾’ｉｉ１：」ｉｉｊｆｃ＠Ｌ一电—」寂參软轉蒹Ｓｔ’图２．２基于ＧＰＲＳ传输方式的抄表系统结构图Ｆ．ｒｕｃｎＰＲＳｉｇ２．２ＴｈｅｓｔｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｒｅｍｏｔｅｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏＧ－８－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文２．４电能采集表与智能终端之间信号传输方式目前各个电力公司在对电网的升级改造中，逐步投入使用数字电能表，在城市新建楼宇的布网中，多数也已经采用数字电能表，替换过去使用的机械式电能表。这种电能表内部集成了单片机等微控制器，可以直接采集电力信号，将其转换成数字信号，并能１２［］通过总线方式进行传输。这种电能表的系统结构如下图２．３所示。圓存储器电压互感器１—＾ＩＩ＾电能计量芯片（＾ＬＣＤ显示模块？单片机丨电流互感器微处理器键盘控制模（＾１ｑＲＳ４８５接口Ｉ１０＝＾电源供电模块１Ｉ图２．３数字电能表硬件能结构图Ｆｉ．２．３Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｄｉｉｔａｌｏｗｅｒｍｅｔｅｒｇｇｐ主控制器通常选用８０５１系列单片机，或是面向电能表的专用单片机，如ＭＳＰ４３０微控制器。通过专用的电能计量芯片，釆集电能数据，经过微控制器计算处理后将模拟信号变成数字电能信号。微控制器通过总线方式将数据传输到上层的智能抄表终端。微处理器同时会提供ＬＣＤ显示、按键和ＬＥＤ指示灯等，方便人机交互。存储器会存储关。键节点的数据，以免故障后数据丢失。人机接口方便从电能表中釆集其存储的关键数据系统配有电源监视器和看门狗保证系统的运行。单片机等微控制器通常提供ＲＳ２３２接口，ＲＳ４８５接口和ＵＳＢ接口等，也可以通过自己开发驱动来支持ＧＰＲＳ或Ｚｉｇｂｅｅ等无线信号传输接口。电能表通常选用ＲＳ４８５接口。ＲＳ４８５总线是工业标准的串行接口总线。它通过差分平衡方式进行数据传输，传输线釆用普通双绞线即可，无需专业的网线或是光纤。ＲＳ４８５总线有全双工和半双工两种一工作方式一。全双工方式工作可以实现对多通信，即有个设备为主设备，其余设备为主设备的从设备，全双工通信时不需要对数据的传输方向进行控制。半双工工作能够实一现多点之间双向通信一。但是由于所有的收发数据均在同个信道上，因此在某时刻只能接收数据或是发送数据。半双工工作时需要对传输方向进行控制。本设计采用ＭＡＸ４８５芯片实现ＲＳ４８５通信。该芯片功耗低，是工业系统中常用的ＲＳ４８５转换芯片，其最大数据传输速率可以达到２５０ｋｂ／ｓ。－９－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现与其他接口相比，ＲＳ４８５接口优势如下：（１）通信距离长。工业４８５总线的理论传输距离可以达到１２１９米。（２）可挂接设备多。可以同时挂接２５５个４８５通信设备。（３）数据传输可靠。他使用差分平衡技术进行数据传输，这使得４８５通信具有很强的抗干扰能力，这可以保证数据准确传输。（４）使用经济，成本很低。本终端设计采用标准的４８５接口，釆用ＲＳ４８５通信方式与数字电能表进行数据传输，抄收电能表数据。２．５本章小结本章介绍了远程抄表系统的功能结构和工作原理，分析了各部分所采用的主要技术。文章首先对远程抄表系统的结构进行描述，介绍了各个部分的作用和基本性能。其次介绍了几种电力通信技术、、，对比分析了光纤通信电话线通信电力线载波通信和ＧＰＲＳ通信的各自特点，详细介绍了本设计选用的ＧＰＲＳ数据通信方式，分析了该种传输方式的优点。最后概述了电能釆集表与智能抄表终端之间釆用的４８５总线的传输方式，对其传输性能的特点进行分析。－－１０ 大连理工大学专业学位硕士学位论文３基于ＧＰＲＳ电能抄表终端的硬件设计硬件设计是抄表终端的关键一，是切软件设计的基础。只有硬件设计功能满足要求、工作稳定可靠，才能保证整个终端稳定工作。本章主要描述本抄表终端的硬件电路原理、设计，详细描述电源管理模块、ＤＤＲ模块、以太网模块ＲＳ４８５模块、ＲＳ２３２模块、时钟模块、ＧＰＲＳ模块等各个功能模块的原理图、所用芯片及其性能参数。３．１采集终端方案的对比选择智能釆集终端主要完成用户相关的电能数据、开箱报警数据、过压和低压报警数据一等的釆集和传输功能。采集终端通常有两种实现方式：是将集中器和釆集器分幵设计，二一是将集中器和采集器两者合二为。（１）集中器和釆集器分开设计：釆集器的主要功能：实现用户的电能数据釆集。通过４８５接口将电能数据传输到集中器；集中器的主要功能：抄收采集器采集到的各种信息，汇总打包后，经过ＧＰＲＳ无线网络发送到计算机主站控制系统。这种设计的优势在于使用灵活，方便扩展。可以根据不同的使用环境挂接０至２５５个釆集器。在用户密集的楼宇和小区使用，可以减少集中器的使用数量，节约成本。二为一（２）集中器和釆集器合设计：将电能数据的采集和传输功能合二为一一，设计成个终端。这种设计方式减少了采一集器这中间环节，方案更简便可靠，节约成本。适用于独立用户，如用户分散，独立１４的工厂等［］。本设计釆用集中器和釆集器分开设计的方案。这种方案使用灵活，方便扩展，更适用于广大用电环境。３．２主控制器的对比选择。确定了数据传输方式后，其次要选择主控制器，确定设计方案智能抄表终端属于嵌入式终端产品，目前嵌入式处理器主要有ＭＣＵ、ＤＳＰ、ＡＲＭ。ＭＣＵ是最早的微处理器，如５１单片机系列。这类处理器结构简单，功能接口少，无法进行大数据量的处理，显示接口功能也较弱，运行速率较低，通常只有几十兆赫兹。该种处理器的产品定位于简单的控制领域，无法应用到智能抄表终端。ＤＳＰ是数字信号处理器的统称，也是功能简单的微控制器，但是运行速度能够达到１５０ＭＨｚ，比ＭＣＵ处理器快了许多。ＤＳＰ处理器的，但是仍然无法进行大数据的处理－－１１ ？基丁ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现最大特点是其超快的数学运算速度，其内部可以进行快速傅立叶变换，快速微积分等，这是普通低端处理器无法比拟的。ＡＲＭ处理器是目前较为先进的嵌入式处理器ＡＲＭ处理器从低端产品到高端有一，－－－ＭＭ４系列产品。按照ＡＲＭ的内核区分，低端产品有ｃｏｒｔｅｘＭＯ、ｃｏｒｔｅｘ３、ｃｏｒｔｅ＞ｃ。这口几种处理器类似于ＭＣＵ处理器，但是运行速度较快，并且自带了ｌＯＯＭＨｚ以太网接，只能运行精简的Ｌｉｎｕｘ系统。ＡＲＭ７、ＡＲＭ９和ＡＲＭ１１处理器为ＡＲＭ公司的早期产品，也是入门级产品，这几种处理器可以支持ＬｄｏｗｓＣＥｉｎｕｘ和Ｗｉｎ的完全版操系统，运行３００－４５０ＭＨＺ速度能够达到，是早期需要完整图形界面应用中的首选产品。广泛应用到工业，消费电子，医疗等领域，是早期的产品，但是目前各个ＡＲＭ生产厂家逐渐停止供应相关产品。ＡＲＭ公司在经典处理器ＡＲＭ１１以后的产品改用Ｃｏｒｔｅｘ命名，该系列－－－处理器有ｃｏｒｔｅｘ－Ａ５、ｃｏｒｔｅｘ－Ａ７、ｃｏｒｔｅｘ－Ａ８、ｃｏｒｔｅｘ－Ａ９、ｃｏｒｔｅｘＡ１５。ｃｏｒｔｅｘＡ９和ｃｏｒｔｅｘＡ１５ｔ－Ａ处理器较为高端，多应用与ＩＰＡＤ，ｃｏｒｅｘ５、智能手机等消费类电子领域为ＡＲＭ１１－处理器的升级换代产品ｃｏｅｘ－ｃｏｒｔｅｘ，是ｒｔＡ家族中最低端的产品，Ａ７处理器目前产品－较少，使用量也较少ｏｒｔｅｘＡ８处理器的运行速率可以在６００ＭＨｚ到ＩＧＨｚ的之间进。Ｃ行调节２０００ＤｈｒｓｔＭＩＰＳ，通常应用在工作在３００ｍＷ功的移动设备中，以及满足需要ｙｏｎｅ一－的性能优化的消费类应用的要求，。ＣｏｒｔｅｘＡ８处理器是ＡＲＭ的第款超标量处理器１５？［］具有提高代码密度和性能的技术技术。，用于多媒体和信号处理的ＮＥＯＮ通过上面的分析，在智能抄表系统中，对抄表终端有如下功能需求：（１）需要进行大量的数据处理。一个抄表终端通过ＲＳ４８５工业总线方式获得多个电能表的数据，这些数据要在抄表终端内部进行整合处理，月平，还要对釆集到的数据进行分析计算，如用电高峰的分析均用电的大小，是否存在偷用电行为，家庭用电中有无大功率工业用电器设备等。当出现过载。，温度过高或停电等情况时，要进行报警，通知电力企业和监管人员进行维护（２）ＧＰＲＳ方式的进行数据传输。通过上文分析，因此抄表终端的处理器必须，本设计选用ＧＰＲＳ方式进行数据传输能够接入ＧＰＲＳ模块，并通过ＧＰＲＳ模块进行大量数据的收发处理。（３）人机界面设计一智能抄表终端要有定的显示与按键，可以通过抄表终端进行数据查询。（４）数据的备份存储抄表终端需要能够存储一定量的用户数据，对关键的信息进行备份管理，以备系统故障后的数据恢复。－－１２ 大连理工大学专业学位硕士学位论文？．（５）产品经济可靠设计的抄表终端必须能够保证成本较低，各种元器件能够保证稳定供货，不能够选用即将停产的器件。３３ＤＭ３７３０．主处理器介绍通过对抄表终端的功能需求分析，本设计最终选定ＤＭ３７３０处理器。ＤＭ３７３０处理？一－８００ＭＨｚ的高级ＤＳＰ内核器内部集成了ＩＧＨｚ的ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＡ８内核和个高达。ＤＭ３７３０处理器同时提供了丰富的外设接口，包括网口、音频输入输出接口、ＣＡＭＥＲＡ接口、ＵＳＢ、串口、ＳＰＩ接口、ＩＩＣ接口、ＪＴＡＧ接口、ＴＦＴ屏接口、触摸屏接口、ＴＦ接口－、键盘接口、ＳＶＩＤＥＯ接口、ＨＤＭＩ接口。广泛应用在便携式数据终端、导航、自动化资讯娱乐、游戏、医用设备、家庭自动化、人机界面、工业控制、测试与测量仪器、单板计算机等领域。其内部的功能框图如图下３．１所示。ＩＶＡ２．２子系统－于糸统ＴＭＳ３２０ＤＭ６４ｘｆＤＳＰＣａｎｅｎ．ＳＳ．ＴｔｒｕｓＺｏｎｅＰ５Ｗ—Ｄｕａ３－ＬＩＳｌＯｕｔｕｔａｙＣＴＰＡｉｕＴ｜｜｜［ｐ＾＾３２ＫＢ＿ＰＯＷＥＲＶＲＤＩｍａｅ级缓存ｉｓｐｌ＾Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｇ￣ＩＣａｕｒｅｌｘＧＴａｉｃｓｘＶｅｏｐｔ．视频ｉ核编码（ｐｈ．２ｉｄ）高速主从：图形加速子系统ＴｗｎｐｏｒａＪＤＷｉｅｒｉｊｉｇＨａｒｄｗａｒｅＵＳＢ接口ＩＩＴＭＤＴＶｒｔＩｍａ２５６ＫＳＣＩＦ＜＞ｅＳｕｌｇＱｐｐｏ＾，Ａ丨Ａ３２３２３２Ｉ３２３２１３２６４３２３２ｓｃｓｙｎｃｙｎ１６４｜＾３；＾＾Ｉ＿Ｌ３－Ｉｔ＾ｃｏｎｎｅｃＫＨｉｉｌＰｆｏｎｎａｎｄＰｏｗｅＩＭｎｔｅｔｗｏｘｋｅｒａｒｃｈａ，ｅｉｔｉｃｅ＾ａｒｖｅｎ“＾“３２３２＿＿？，，—Ｉ▼ＧＰＭＣ：Ｌ４ａｎＬｉｔｃ＾ｎｅｃｔ１“ＳＭＳ－—６４ＫＢ：Ｇｅｎｅｒａｌ３２ＫＢ＿片上片上ＳＤＲＡＭＰｕｒｏｓｅ１Ｉｐ脚ｏ１ＲＡＭＭ存储定位ＭｒｙＲＯ，‘ｊｊＩ１？“““ｏｎｒｏＣｌｅｒｒｉｐｅｒａｌｓ：４ｘＸｔｌＰｅｈＵＡＲＴ．ｉ＾￣，ＩＮＡＮＤ－／ＳｘＨＩＳｘＭＢｉｈＳｐｅｅｄ２ＣｃＳＰｇ，“ｎｏｒＳＤＲＣｗ５ｉｄｅｔｏｎｅ／Ａｕ４ｉｏＢｉ＾ｅｒ－Ｅｌ：２ｘｉＵｉ）ｍｕａｔｉｏｎＩ＊ＳＤＲＡＭＦｌａｓｈ４ＭＰＩ６ｘＩ．ｘｃＳ．ＧＰＯ调试接口ＳＤＴＥＴＭＪＴＡ：Ｉ，，ＧＭｅｍＳＲＡＭ３ｘＨｉｈ－ＳｅｅｄＭＭＣ／ＳＤＩＯｃＭｙｇｐ？二ｘＩＷｉｒｉｌｂＣｏｎｔＨＤＱ／１ｅ，６ｘＭａｏｅｓ，ｒｏｌｌｗ｜，，ｆ—ｉｉＵｘＯＰｒ２ｘＷＤＴ—＿，＾Ｌ，３２ＫＳｙｎｃＴｉｍｅｒ外部扩展存储图３．１ＤＭ３７３０控制器内部结构图Ｆｉｇ．３．１ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆＤＭ３７３０ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＤＭ３７３０基本性能参数如下：－３－１ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现－（０ＭＡＰ口－ｒ１）兼容３接，最高支持１ＧＨｚＡＲＭｃｏｔｅｘＡ８内核，也可以支持３００、６００和８００ＭＨｚ内核，支持ＮＥＯＮＳＩＭＤ协处理器。（２）高性能图像、视频、音频处理子系统。最高课运行８００ＭＨｚＴＭＳ３２０Ｃ６４Ｘ＋ＤＳＰ内核，支持视频硬件加速、ＰＯＷＥＲＶＲＳＧＸ图形加速。（３）先进的超长指令字ＴＭＳ３２０Ｃ６４Ｘ＋ＤＳＰ内核。（４）丰富的外部存储接口。支持１６／３２位内存控制器，最大支持１Ｇ地址空间；支持低功耗Ｓ￡）ＲＡＭ；ＳＤＲＡＭ内存调度和旋转引擎；８个片选引脚，每个可选中１２８Ｍ字节地址空间。（５）丰富的外设接口。支持５个多通道缓冲串行接口（ＭｃＢＳＰｓ）、４个ＭｃＳＰＩ接口，１个高冲／低速ＵＳＢＯＴＧ接口，１个高冲／低速ＵＳＢＨＯＳＴ接口，４个串口（其中一个满足红外协议的接口（ＩｒＤＡ〉），３个主从Ｉ２Ｃ接口。（６）其他方面：１个Ｃａｍｅｒａ图像信号处理接口，综合电源、复位和时钟管理，１个可移动存储接口（ＳＤＭＭＣ／ＳＤＩＯ），１个ＪＴＡＧ边界扫描接口，１个ＥＴＭ接口，１个ＳＤＴＩ接口，１２个３２位定时器，２个３２位看门狗定时器，１８８个ＧＰＩＯ接口。３．４采集终端的硬件结构设计釆集终端的硬件结构框图如下图３．２所示。以ＤＭ３７３０处理器为核心，配置了键盘接口、ＬＣＤ液晶触摸屏接口、ＦＬＡＳＨ存储模块、电源模块、电源管理模块、ＴＦ卡接口模块ＪＴＡＧ接口、ＲＳ４８５接口、ＧＰＲＳ模块。－各模块各司其职，完成整个智能抄表功能。键盘接口和ＬＣＤ液晶触摸屏接口为终端提供了良好的人机接口，方便使用者操作。ＬＣＤ可以选择电阻式液晶触摸屏或是电容式液晶触摸屏。ＤＭ３７３０提供了高性能图像处理子系统，可以高清显示图形界面。支持２４位真彩色，分辨率可以高达２０４８ｘ２０４８。画．面清晰流畅，色彩真实。虽然可以采用触摸屏方式进行各种操作，但是工业应用多釆用的实体键盘方式，以保证操作的可靠性避免误操作。因此本终端设计了键盘接口。丨ＲＳ４８５接口釆用工业４８５总线标准，方便与其他设备之间互联操作。在终端上ＲＳ４８５接口与采集器相连，抄收釆集器采集到的用户数据，并下达相关指令。该总线上最多可以同时挂接２５５个釆集器设备，釆用普通双绞线进行连接。ＦＬＡＳＨ存ＤＭ３７３０启－ｂｏｏ储模块存储所需的Ｕｔ、Ｋｅｒｎｅｌ、文件系统和应用程序文件，是系统正常启动的保障。ＦＬＡＳＨ存储芯片的大小根据系统文件的大小确定。根据需要，该芯片也可以存储关键数据，方便系统的备份检查。－－１４ 大连理工大学专业学位硕士学位论文电源管理模块诵田法门（ＪＴＡＧ接口八ＫＦＬＡＳＨ存储以太网接口Ｗ模块与ＤＤＲＲＳ２３２接口）模块ＤＭ３７３０￣—ＬＣ咖＾隨接口键盘接口＂“‘ＴＦ卡接口＾ＧＰ赚块图３．２智能釆集终端硬件结构图Ｆｉｇ．３．２ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌＳＤＲＡＭＤＤＲ是系统的内存，其作用是用于暂时存放ＣＰＵ中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要处理器在运行中，ＣＰＵ就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后ＣＰＵ再将结果传送出来。因此它决定了系统运算的快．慢，内存的运行也决定了计算机的稳定运行，是整个抄表终端的关键模块。电源模块提供整个板卡上各个用电芯片所需的电源。电源管理电路主要功能是对ＤＭ３７３０处理器的上电时序和断电时序进行控制。ＤＭ３７３０处理器必须按照规定的上电时序供电才可以正常工作，若上电时序错误系统不仅无法正常的工作，甚至会毁坏芯片。ＧＰＲＳ模块和ＧＳＭ模块是抄表终端向上层计算机控制主站传输数据的媒介。釆用ＧＰＲＳ无线传输方式取代过去的使用电力线或是电话线的有线传输方式，节约布线成本。ＪＴＡＧ接口，ＲＳ２３２接口，以太网接口等用于系统测试。系统软件设计中要通过这些接口进行程序的调试工作，在产品化设计时可以根据需要选择是否保留这些接口。ＲＳ２３２接口和以太网接口可以方便系统的二次幵发。ＴＦ卡接口电路保证了系统关键数据的备份？。同时可以方便系统程序的更新。３．５系统硬件各部分原理图设计３．５．１ＦＬＡＳＨ与ＤＤＲ部分电路原理图“嵌入式系统中，单片机与ＤＳＰ处理器因为不带有操作系统，即工作于所谓的裸”“”状态。而ＡＲＭ处理器即可以工作于机裸机状态，也可以工作在操作系统下，当－－１５ 基于ＧＰＲＳ的屯能抄表终端设计与实现ＡＲＭ处理器运行带有操作系统程序时，就要外扩ＦＬＡＳＨ存储器，用于存放操作系统的启动程序，就好比计算机系统的Ｃ盘装载ＷＩＮＤＯＷＳ启动程序。本抄表终端工作在Ｌｉｎｕｘ操作系统下，因此必须外扩ＦＬＡＳＨ存储器。ＦＬＡＳＨ存储器的性能高低直接影响整个系统的运行速度和稳定性，同时根据实际操作系统启动程序的大小，要选择合适的ＦＬＡＳＨ存储器。本课题设计的抄表终端釆用可裁剪的ＡＲＭＬｉｎｕｘ操作系统，根据实际应用，裁剪掉了音频模块驱动、ＵＳＢ接口驱—动、ＷＩＦＩ接口驱动等不需要的驱动程序，只编译必要的驱动以降低操作系统的大小。经过裁剪后的操作系统文件在２００ＭＢ左右，考虑为后期的版本升级留有空间，本设计选用５１２ＭＢ大小的ＦＬＡＳＨ存储器。一另个关系到ＡＲＭ处理系统运行速度的外设为ＳＤＲＡＭ，好比计算机系统中的内存条。ＳＤＡＲＭ的大小直接影响到ＡＲＭ系统的运行速度。计算机的内存条也就是由多个ＳＤＡＲＭ颗粒拼积而成。随着内存技术的发展，早期的ＳＤＲＡＭ逐步发展成为ＤＤＲ１代、ＤＤＲ２代和ＤＤＲ３代产品。ＤＤＲ的发展不仅提升了其容量大小，也提升了其运行速度，，，同时也减小了芯片的面积目前的ＤＤＲ芯片都采用ＢＧＡ封装取代了早期ＳＤＲＡＭ的ＳＯＰ封装，ＤＤＲ颗粒面积只有１．５平方厘米左右。本系统选用的ＤＤＲ作为处理器的内存。一综上所述－ＳＨ及，本终端系统釆用块ＭＴ２９Ｃ４Ｇ９６ＭＡＺＡＰＣＪＡ５芯片作为其ＦＬＡ－ＤＤＲ部分。ＭＴ２９Ｃ４Ｇ９６ＭＡＺＡＰＣＪＡ５是ＭＩＣＲＯＮ公司设计生产的面向低功耗应用的ａ一产品。该芯片是ＮＡＮＤＦｌｓｈ与ＳＤＲＡＭＤＤＲ二合的存储用芯片。其中ＮＡＮＤＦｌａｓｈ大小为５１２ＭＢ，ＤＤＲ大小为５１２ＭＢ。可以根据需要只选用其中的ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ功能或是ＤＤＲ功能－。ＭＴ２９Ｃ４Ｇ９６ＭＡＺＡＰＣＪＡ５性能高、封装小，ＤＤＲ的运算速度达到ＭＡＺＡＰＣＪＡ－５２００ＭＨＺ．，芯片面积仅有１３平方厘米，占用单板面积非常小２９Ｃ４Ｇ９６。ＭＴ是板卡的存储芯片，ＮＡＮＤＦｌａｓｈ是通过ＧＰＭＣ总线实现数据访问，而ＤＤＲ则是使用＿ＳＤＲＡＭＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＳＤＲＣ）实现数据访问。５１２ＭＢ的ＮＡＮＤＦｌａｓｈ存储板卡启动所－ｂｏｏ需的Ｕｔ、ｋｅｒｎｅｌ和文件系统等程序文件，保证存储空间的有效利用，避免过大的存储造成的资源浪费。５１２ＭＢ大小的ＳＤＲＡＭＤＤＲ足以满足系统运算需要。－５３ＭＴ２９Ｃ４Ｇ９６ＭＡＺＡＰＣＪＡ芯片的电路原理图如下图．３所示。该部分电路设计时一定要注意图中的退偶电容的布局设计。该部分的电容要靠近其所在的引脚摆放。电源部分供电稳定，电容的接地部分要可靠接地。如果电容远离该芯。ＦＬＡＳＨＤＤＲ片不仅无法达到好的滤波效果，反而会带来干扰与部分的设计失败通常会造成系统频繁的死机和重启。－－１６ 大连理工大学专业学位硕士学位论文｜｜｜－ｉＭ－－－２１＾「（，Ｉｉ！丨丨｜？ｌｉｉｉｉｉｉｓｉｉ１１ｉ１１ｉ１１ｉ時申響丰嘲一．ｊ；ｊｊ３ｒＳ５ｓ２ｓＪ＾ｙ＝Ｊｓ２２２ＥｓａａＥｉＪａＪｓｓａｄｔＪｓｓｓｄｄａａｄＪａｓｓｄａＪｅＪｓＪｏｓＳｓｓｓｉｅｓ？！ｄｓｄｌ｜＾＋ｊ二。－ｃＨｓ２ｓｓｓ口ｔａｇｇ＾３『〒肝叫七｜利＿七中干ｊｊｘｘｘＪ叫中释＇＇＇＇ｗｗｗ＂：．ｊ４＝ｓ；ｓｉ５５ｓｊＳ■＝ｌｌ３＾３ｄａｌｌｌＴｉＪｆｅｄｇｌｆｌｌｌａＢｄｄｌｎｉｉｉｉｉｇｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｇｉｉｌ丁了丁丁丁丁丁〒５ＭＩＩＩＩＩ．｜｜｜｜Ｉ图３．３ＦＬＡＳＨ及ＤＤＲ存储系统Ｆｉ．３．３ＴｈｅｍｅｍｏｒｓｓｔｅｍｏｆＦＬＡＳＨａｎｄＤＤＲｇｙｙ３．５．２电源管理系统原理图电源系统是整个智能抄表终端的血脉，其性能好坏直接影响到系统的正常工作。本、Ｖ、３３８Ｖ、２系统硬件电路中存在多种直流电压，由高到低有１２Ｖ５．Ｖ、１．１．Ｖ。他们为不同的用电芯片提供稳压源。电源设计首先要确定用电芯片的电压以及功率，同时要关注用电芯片对电源稳定度的要求，如果对电源精度要求较高，则要选择波纹系数较小的１７［］电源芯片。－ＤＣ电源芯片和ＬＤＯ电源芯片－嵌入式系统中通常使用的电源芯片有ＤＣ。ＤＣＤＣ电源部分包括ｂｏｏｓｔ（升压）、ｂｕｃｋ（降压）、Ｂｏｏｓｔ／ｂｕｃｋ（升／降压）和反相结构，具有－高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型ＤＣＤＣ转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。ＬＤＯ即低压差线性稳压器有最低的成本，最低的噪声和，突出优点是具最低的静态电流一。它的外围器件也很少，通常只有两个旁路电容。新型ＬＤＯ可达到以下指标：３０ｕＶ输出噪声、６０ｄＢＰＳＲＲ、６ｕＡ静态电流及ｌＯＯｍＶ的压差。本系统中用到上述两种电源芯片，电源系统结构如下图３．４所示。－－１７ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现．１．８Ｖ？１２Ｖ转３．３Ｖ电源芯片电源管理芯片１．２Ｖ＿＿ｖ＿ｉ；？（ＡＰＷ）（６５９３０）广：７０８０ＴＰＳＶＤＤ１．２Ｖ——ＶＤＤ２Ｖ５１２转Ｖ电源芯片■２Ｖ—￣１＞－５Ｖ？１（ＬＭ１１７５）图３．４电源系统结构图Ｆｉｇ．３．４Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｐ－２４Ｖ电源部分设计釆用１２宽电压输入。由ＤＣ／ＤＣ转换芯片ＡＰＷ７０８０Ｋ和ＬＤＯ电－Ｖ和源芯片ＬＭｍ７５转换出３．３５Ｖ电压，供处理器及外围芯片用电。ＴＰＳ６５９３０芯片将３．３Ｖ电压转换成ＤＭ３７３０工作所需的１．８Ｖ和两路独立的１．２Ｖ电压。ＡＰＷ７０８０Ｋ是，大功率高转换效率的电源芯片，由ＡＮＰＥＣ公司生产设计，输出电流达４Ａ自带有上电－２６Ｖ宽电压输入复位监控功能．５Ｖ，输出电压可调，工作效率可达９１％内置；支持４；、数字软启动模块和过载过温保护模块，可靠性高，多用于笔记本电脑无线局域网设备、ＬＣＤ管理器设备等领域。电源入口ＶＣａ２ＶＶＣＣ１２Ｖ＾＾ＴＴ＾１１．Ｖ１９１２Ｖ３３挪Ｃ＿１１＇Ｆ＝—Ｉ３Ａａｓｅ．Ｃ１４ＬＣ１５ｄ＝Ｅｉ１０ｕＦ／ｌ６ＶｌｕＦ／１６Ｖ■■４７＇０ｕＩ１６Ｖ２２ｉＦ／ｌＷＩＨ：ａｄｃｉ４ＭＳＭＡＪ５．０Ｊ｜〒＾Ｍ）＝Ｃ＝ＩＦＶＧＮＤｌｕ／１６￣－１０ｕＨＭＳＳ１０３８Ｔ１０３ＮＬＶ３Ｉ＿＾ＧＮＤＴＴ＿—ＶＣＣ２ＶＶＩＲ５３１ＤＤ５０＾？１１＾１２Ｖ５Ｖ５Ｔ—３３ＫＵ专Ｊｆ，丄』ｍ＋ＣＣＭＡＩＷ７０８ＣＧＮＤＪ１８二ｊ‘＝＝－４１００ｕＦ／１６Ｖ＝２Ｄ７ｐ１７ｐｈ０ｕＦ／１６Ｖ２２Ｆ＝Ｂ５４０Ｃ５Ａ４０Ｖ丄ＨｐｐＬｌＯＯＯＦ－ｐ一一？——ＬＭ—？ｌｌｌＧＮＤＣＭ）ＧＮＤ￣ｉｍｓ分用ｉ图３．５电源部分原理图Ｆｉ．３５Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｏｗｅｒｇ．ｐ－－１８ 大连理工大学专业学位硕士学位论文？在电路设计时，将电源模块的输出和用电部分用大功率的０欧姆电阻断开，以防止电源模块故障时损毁用电电路。电路板择接完成准备调试时，先将电源部分的０欧姆电阻去掉，电路板上电，测量各个部分电压是否正常，电源部分正常后再燥接好０欧姆电。阻，开始后续的调试工作电源部分原理图如上图３．５所示。３．５．３ＤＭ３７３０电源管理和上电时序控制电路ＤＭ３７３０工作需要三种不同的电压，并且对上电和断电时序也有严格的要求。本设计采用ＴＰＳ６５９３０芯片对ＤＭ３７３０的上电时序进行管理。ＴＰＳ６５９３０是用于？ＯＭＡＰ系列处理器的电源管理芯片，它包括电源管理控制器、ＵＳＢ高速传输控制、ＬＥＤ、模数转换（ＡＤＣ）、实时时钟（ＲＴＣ）和嵌入式时钟管理（ＥＰＣ）等ＴＰＳ６５９３０驱动控制，还包括完整的两路数模转换音频信号和两个ＡＤＣ双语音频道一、路标准的音频釆样率？１８【］（Ｉ２Ｓ）／时分复用（ＴＤＭ）接口，可以在立体声下行通道播放标准的音频。ｖｍｓｖＭＵｆｅＨｉ广．ｌＷＶｕｖｕ＜＾ＩＯｆｆｏｐｆｔｉｌＦｎ？．ｗｐ．．．■＿ｒＩＯ＞＃■ｌｉＰｆｔＶ）ｌｕＦ厂范Ｍ科＆ｉＣｌｌｌｉＣＴＷ￣－？＾ＶＴＯ０ＶＩＩｖＣＩｕＷＪ￣ｌＨＰｌＩ＇ＸｏｏＣＫＤｌＵ”１ｌｑｏｎＶＤＤＰＵ－ｕＷｙＨｊ？＂ｖ￣￣—ｉ丨１．！３：章ｔｒ，技．ｆｅ』－—卡—ＩＩ［Ｙ￣＊—“＂＊＊＂＂４ｌ；ＱＵ３Ｂ）ＤＡＴＥＬＭ１｜ＤＰＯＴＰＫＩＯＱ）ＫｌｌｔＸＫＵ？ＤＡＴ１ＡｌＨｆ？ｖ＜ｍ－ｉ＾Ｉｉ（Ｕ？ＤＡＴＯＵＫｔ？．－３？ＨＢＸＫＯｔＴＶＵＳＢ＾１１１ＩＩ￣‘￣＾＾７ＵＤＤ下３２０；＾ＡＴＭＮｎＢｉＲ．ｉＴＴ形９Ｓ）ｔ、ｄＳＤ图３．６电源管理部分的原理图Ｆｉｇ．３．６ＴｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｏｗｅｒｍａｎａｅｍｅｎｔｐｇＴＰＳ６５９３０与ＣＰＵ之间使用Ｉ２Ｃ协议通信，ＴＰＳ６５９３０主要的作用是将１．２Ｖ、Ｌ８Ｖ５９３０还ｏｉｎｕｄｉｏｏｕｔ提供给ＣＰＵ，让ＣＰＵ正常运作，ＴＰＳ６有Ａｕｄｉ、Ａ、ＯＴＧＰＨＹ．Ｋｅｙｂｏａｒｄ．ＡＤＣ、ＧＰＩＯ功能。电源管理部分的原理图如图３．６所示。－１９－ ‘■．Ｉ、穿基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现．，‘“＿Ｉ３．５．４ＪＴＡＧ边界扫描测试接口终端设计了ＪＴＡＧ边界扫描接口，供调试程序时使用。通常是进行程序的单步调试。，也用此接口烧写ａｒａｉｖ根据不同的需要ｉｖｉ程序。ＪＴＡＧ接口由５个信号线组成，分别是ＴＭＳ，、ＴＣＫ、ＴＤＫＴＤＯ以及ＧＮＤ信号他们分别是模式选择信号、时钟信号、、。数据输入信号数据输出信号以及参考地信号，同时还需要电源信号大部分仿真器同时还提供了一个复位信号。一ＪＴＡＧ电路在最终的产品中并没有用处，般只是在系统调试时使用。硬件电路板煌接完成后，并无法保证能够顺利启动，当启动出现故障时就需要进行调试查找问题。此时的处理器中没有任何程序，无法通过串口打印信息来确定问题所在，因此就要使用Ｇ口进行一ＪＴＡ接初始化程序的烧写。通常所说的ＪＴＡＧ大致分两类，类用于测试芯片一的电气特性，检测芯片是否有问题３７３０；类用于Ｄｅｂｕｇ调试，ＤＭ处理器包含了这两个模块。因此本设计在初始版本的时候同样设计了ＪＴＡＧ接口ＪＴＡＧ接口的物理形式常见的有１４Ｐｉｎ、；ｉ６Ｐｉｎ和２０Ｐｉｎ，不同的引脚数量只是增加了地信号的数量，本质上是没有区别的。本设计采用的是１４Ｐｉｎ接口形式，当终端产品化生产的时候，ＪＴＡＧ电路部分可以不傳接，电路如图３．７所示。ＶＤＤ１８丁ＶＤＤＩ８２ｓ．：ｉ＂＾－．如：ｒｆｆＴｆ〒１ＪＴＡＧ边＾口ｎｖｓ＿ｏｏ．ｇ三；ｓ－－ＫｍｓＴ＾ＴＤＯ．ＲＴＣＸ１０：二：Ｊ＝二二二＾Ｍｌ！ＲＤｌＲＤ２霧Ｉ｜１０ｉＦｌｕＦ０卜：ｌＤ１４０：Ｄ１４Ｇ和＾３ＲＤ４ＲＤ５１ＲＤ６ＲＤ７ＲＤ８｜ｉｆｉｆｘｆＤ４０２Ｄ１４０２Ｄ１４０２Ｄ１４０２Ｄ１４０２ｌ４０１Ｊ２ｊｊＪｐＧＮＤ图３．７ＪＴＡＧ边界扫描测试接口Ｆｉｈｇ．３．７ＴｅＪＴＡＧＩｎｔｅｒｆａｃｅ－２０－ －大连理工大学专业学位硕士学位论文—３．５．５断电控制电路原理图智能抄表终端在釆集用户用电量的同时，也要能够控制用户的用电状态，当用户欠缴电费时，能够控制用户电闹，对该用户停止供电。控制电间部分电路原理图如下图３．８所示，设计釆用继电器控制外部的电磁阀，利用弱电控制强电。图中继电器可以工作于１２Ｖ直流电压下，Ｄ１２为续流二极管，通过．Ｑ１三极管放大幵关信号，来驱动继电器的幵关。ｖｃａ２ｖ继總謂￣ＶＷ＾—ｗ＼■Ｍ？＿■■ＫＮＪＯｎ３】ＮＥＴＪＩＯＡＮＣＨｊＢｌ４ｊ＾ｍ一一图３．８断电控制电路原理图Ｆｉｇ．３．８Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｕｓｅｒｏｗｅｒｐ３．５．６百兆以太网接口电路原理图终端设计了网口接口，供测试调试使用同时作为数据传出的备用接口。采用ＤＭ９０００Ａ芯片作为网口处理芯片。ＤＭ９０００Ａ是集成了快速以太网控制器的低功耗以太网通用处理芯片一３，包括路１０／１００ＭＰＨＹ和４ＫＤＷ０ＲＤＳＲＡＭ，该芯片支持３．Ｖ与５Ｖ的１０接口。ＶＣＰ２５Ｃ６６）０ｕＦ／１６ＶＶｒａＢ３ＩＩＴＸ＋ＴＸ－９Ｒ７８ＩＫＮＥＴＬＥＤ２Ｉ５Ｒｎ７９ＩＫＮＥＴＬＥＤｌＬＪＣ６９ｌＯＯＩｕＦ／ｌＫＶ￣［＇ｍ９１８１０６Ｉ「１１ｌＩｌ令６５＝ｃ６４ｒｈｒｎ＾ｒｎ＼０．ｌｕＦＩＯ．ｌｕＦＦＧＧＮＤＫＸ２？Ｏ？ＦＧＧＮＤＧＮＤ－２－１ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现百兆网口电路图ｔｓＥｆｔＴＯ３９＞ＥＴＬＥＤｌｙＥ．ｍｉｌｊＣＴＬｍｉｒ７Ａ＾／３ＡＴ２ｙ、八ＫＨ３７ｈＥＴＣＳ，ｂＺ．ｗ＾＂“＾八Ｊ＿＿＾３ＡＴ４＾￡Ｔ￡Ｄ＜＼／‘３ＡＴ５ｈＥＴＣＭＰ＞ｌＴ＼６ｒＣＴＴＥＳＴ５Ｎ７４ＬＮＯＯＯＴＤＯＣＴ．３ＡＴ７＇￣＼）ＡＴ＜８４０ＲＥＥＴ？３？从ＰＡＴＨ１９＾ＶＣ０１８￣＾ＤＴＡ１２ｌ，—＇？？＇ＩＩＩ＾１ＤＡＴ１４ＶＥＣ８３”ＱＶＴＩＳ２丁ｎ７ＶＤＤ３３４｜Ｃ０＝＝ｂＴｍＴ＿＿Ｔｉ、ＴＸ－＼ｆｌＯＫｆ－＝－？Ｘ！Ｕ７ＢＣ６＜３Ｃｒｔ＼２＾Ｃ６］７ｆｙ＾ＩＮＴＭ４７ＳＮ７４ＬＶＣ２Ｇ０７ＤＣＫＴ＂￣ＩＩＩＣＲ３５ｔ＜（Ｍ）Ｃ３Ｄ２５ＭＨ２－ＪＦＶＮＹＩ＞？ＸＯ图３．９百兆以太网接口Ｆｉ．３．９ＴｈｅＩｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｔｈｅＥｔｈｅｒｎｅｔｇＤＭ９０００Ａ内置的ｌＯ／ｌＯＯＭＥｔｈｅｒｎｅｔ模块兼容ＩＥＥＥ８０２．３标准协议。网线接口为标准的ＲＪ４５，并且带有连接指示灯和传输指示灯［２０］。板卡可通过直通网线连接到网络ＨＵＢ上，也可用交叉网线与电脑直接相连。接口电路如下图３．９所示。３．５．７外部存储电路原理图抄表终端并不是实时获取用户用电数据并实时传输，而是根据需要和设定，定时获取，Ｓ，定时传输数据否则ＧＰＲ传输量过大，对后台的服务器端也带来较大压力。因此。便需要对获取到的用电数据先进行存储处理，整理后再定时发送本系统的内部存储只有５１２ＭＢ的ＦＬＡＳＨ，并且该部分存储器为启动程序专用，空间有限，无法存储大量的用户数据，因此必须设计外部存储电路。嵌入式领域应用较多的外部存储通常采用ＳＤ卡和ＴＦ卡，较高端的应用中会采用电子硬盘，电子硬盘的存储容量大、存取速率高，同时价格也比较昂贵，ＳＤ卡和ＴＦ卡接口简单，使用灵活，价格也比较便宜，工业用ＴＦ卡的稳定性较高，存取速度也比较快，能够满足本系统的应用，。因此本终端设计了ＴＦ卡接口模块保证对用户数据进行存储备份。因为ＤＭ３７３０可以设置为默认从ＴＦ卡启动，因此此接口也为系统升级提供方便，将需要升级的系统拷贝到ＴＦ卡，重启机器既可以完成系统升级，而不用将终端返回原厂进行升级。ＴＦ卡接口原理图如下图３．１０所示。－２２－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文ＶＮＭ：！””＂＂”“ＶＩ０１８］Ｉ］ｇ。Ｓ？－■￡ｌｉ；：：ＴＦ卡接口秘ｍ－ＺＩＪ１５ＺＩ＾ＮｔｖＣＩＤＡＴＡＱ‘＾＾＾＾＾ｖＡＴＡｉＮｔＯＤ“＿ＫＭ：ＩＤＡＴＡ２——￣—ＮＭ－ＬＤＴ？ｊＡＡＭ＾）ＩＣＭ？ＶＭＣＩＣＬＫＲ９７．５＿＾＾Ｉ＇■ｉｈＩ｜１Ｉ￣Ｍ＾ＣｌＣＤＩ；＾Ｃ１２６工７＾ＴＦＣＲＤ＝＝ｄｐＡ０！２泊】？幻Ｍ心１５取１６？Ｄ１７ｄｌ８丨Ｏｉｆ／６Ｖ）．ｌｕＦ＿＿＞＜＞＞＞＜Ｐ？＞＜品？？￣４）４０２ｐ］４０ｐｌ４０ｐｌ（ｐｉ４０ｐｉ０ｐｉ４０ｐｉ４ＩＩＧＮＤＪ］］ｊＩＯＮＤ图３．１０ＴＦ卡接口原理图Ｆｉ．３．１０ＴｈｅＩｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｔｈｅＴＦｃａｒｄｇ３．５．８ＲＳ４８５接口电路原理图ＲＳ４８５接口是抄表终端的重要接口，负责连接电能表，获取用户的用电数据。ＲＳ４８５总线是工业标准的串行接口总线。它通过差分平衡方式传输数据，传输线可以采用普通双绞线。ＲＳ４８５总线有全双工和半双工两种工作方式。全双工方式工作可以实现点对多一通信，，半双工工作时可以进行多点双向通信。由于收发数据在同个信道上因此在某一时刻只能接收数据或是发送数据。半双工工作时需要控制传输方向。本设计采用ＭＡＸ４８５芯片实现ＲＳ４８５通信。该芯片功耗低，最大数据传输速率可以达到２５０Ｋｂ／ｓ。ＲＳ４８５通信接口原理图如下图３．１１所示。口ＲＳ４８口：与其他接相比，５接优势如下（１）通信距离长。工业４８５总线的理论传输距离可以达到１２１９米。（２）可挂接设备多。可以同时挂接２５５个４８５设备。ＣＭ）ＲＳ４８繼口桃〒Ｕ８ＶＣＣ５ＶＰ９ＲＸＣ４８５Ｉ８０－ｌｕＦ丁１丁ＸＣ４８５１＾１ＩＣＭ８５６３０，｜２ｏｊｚｒ＾Ｍｆ—ＩｄｎＨｅ４ＩＪａｅｒＨＲＳ—４８５ＣＭ５ＧＮＤ图３．１１ＲＳ４８５通信接口原理图ＦｉｃｏｆｔｈｅＲＳ４８５ｉｇ．３．１１Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔ－２３－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现（３）。数据传输可靠他以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力，可以保证数据的传输准确。（４）使用经济，成本较低。釆用普通双绞线进行数据传输，比网线、ＵＳＢ传输线的成本低许多。３．５．９ＲＳ２３２接口电路原理图ＲＳ２３２接口在实际使用中很少用到，但要考虑设计中程序的调试，调试信息通过ＲＳ２３２接口输出。ＲＳ２３２接口釆用ＭＡＸ３２３２芯片和ＤＢ９接口实现。由于ＤＭ３７３０的引１．８ＶＳＮ７４ＬＶＣ２Ｇ０７ＤＣＫＲ芯。ＲＳ２３２口电路脚电压是，因此要通过片进行电压转换接３。如下图．１２所示ＶＤＤ１８了Ｕ１２Ｂ啦３２串口部分电路Ｔｎ？ＷｐＩＲ８２＾＾ｂ－ｌｕＦＩｉＡ１ＦＧＧＮＤ祖ｖａｃｏ丽Ｖ１１Ｉ丨“丨＂“｜二ＵＡＲＴ３ＲＴＳ３３Ｍ＾ＩＩ－Ａ７￣￣—－＾ＩｇＶＤＤＩ８Ａ一￣＿＿“＾ＧｈＴＯＲｆＷＯＲ１＾．．．Ｒ８５／Ｉ＾ＶＩ上ＺＭＡＸ３２３２ＣＳＥＡ５＂■ＡＪＩＩＫＵ１２＾＿ａ＾ｒ６」Ａ品令Ｘ—４ＳＮ７ＬＶａＧ０７Ｄ（ＸＴ｜ｆ／ｌ一＼］ＦＧＧＮＤ图３．１２ＲＳ２３２接口原理图Ｆｉｆｇ．３．１２ＴｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｔｈｅＲＳ２３２３．５．１０时钟模块时钟电路是系统工作的脉搏，只有脉搏跳动正常，整个电路才能正常工作。由ＤＭ３７３０数据手册可知，ＤＭ３７３０工作的时钟包括ＳＹＳ３２Ｋ、ＳＹＳＡＬＴＣＬＫ、—＿ＳＹＳＣＬＫ０ＵＴ１、ＳＹＳＣＬＫ０ＵＴ２、ＳＹＳＸＴＡＬＯＵＴ、ＳＹＳＸＴＡＬＩＮ和ＹＳＣＬＫＲＥＱ。，Ｓ＿＿—＿＿ＳＹＳ３２Ｋ是３２ＫＨＺ时钟，主要是用于低频率运算，该时钟通过管脚ＳＹＳ３２Ｋ，可以＿＿唤醒睡眠模式。其中３２ＫＨＺ时钟频率是ＴＰＳ６５９３０电源管理芯片产生的。ＳＹＳＸＴＡＬＯＵＴ、ＳＹＳＸＴＡＬＩＮ是系统２６ＭＨｚ主要用于产生输入时钟，时钟频率为，＿—设备的主时钟，提供给ＤＰＬＬｓ以及其他模块使用。ＤＭ３７３０所使用的时钟全部来自ＴＰＳ６５９３０。－２４－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文ＳＢ其他部分的时钟由各自的时钟晶体提供，Ｕ部分的ＦＥ１．１芯片的外部时钟晶体是１２ＭＨｚ，以太网部分的ＤＭ９０００Ａ芯片的外部时钟晶体是２５ＭＨｚ。整个时钟部分的电路框图如下图３．１３所示。ＣＵＳＢ口芯片＾＾Ｉ接１１馳？．Ｉ（ＦＥＩ）ＬＪ￣电源管理芯片．主处理器ｆｐｏｉｍｚ＾＾＾（ＴＰＳ６５９３０）（ＤＭ３７３０）ｊ（ｎ．．？．、－百兆网口芯片＾１ｊ（ＤＭ９０００Ａ）＾图３．１３系统时钟电路框图Ｆｉ３３Ｔｈｅｒｕｒｅｈａｒｔｏｆｈｅｔｅｍｌｏｃｋｇ．．１ｓｔｃｔｕｃｔｓｙｓｃ３．５．１１系统复位模块终端设计了系统复位模块，以防止出现的故障死机状态。复位电路釆用的是ＴＣ７ＳＨ０８ＦＵ芯片实现。该芯片是两输入与门器件。芯片运算速度高，典型处理速度仅４３ｎｓ－。．，功耗低，高的噪声抑制能力，可支持２５．５Ｖ宽电压输入原理图如下图３．１４所不。ＶＤＤ１８ＶＤＤ１８丁丁１０Ｋ复位电路Ｉ？１０Ｋ＼ｎ＾４１ＮＲＥＳＰＷＲＱＮ１５｜“ＥＳＥＴＣＰＵＲｕＦ．Ｃ１６１０／１６Ｖ１［｜１１ＴＣ７ＳＨ０８ＦＵＳＩ００—ＩＳＷ－ＰＢＧｋ＞图３．１４系统复位原理图Ｆｉｇ．３．１４Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｒｅｓｅｔ－２５－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现３５．１２ＧＰＲＳ．模块接口ＧＰＲＳ模块主要实现ＧＰＲＳ数据传输，是抄表终端与计算机主站之间通信的基础。目前市场上的ＧＰＲＳ集成模块主要有ＧＲ４７／ＧＲ４８和ＴＣ３５／ＭＣ３５两种，它们的性能各有优劣。ＭＣ３５是西门子公司的第一ＧＳＭ／ＧＰＲＳ款基于标准的多种无线模块，广泛应用于移、动电话，移动办公自动售货机，交通控制系统、智能告警系统、导航系统等在内的各种系统设备之中。ＭＣ３５模块接收速率最高达到８６．２０ｋｂｓ２１．５ｋｂｓ。ｐ，发送速率最高为ｐ支持ＧＳＭ９００和ＧＳＭ１８００两种频段的网络。该模块的特点是永久在线、数据下载速度更快。ＴＣ３５是西门子推出的蜂窝通信引擎模块，它体积小巧、功耗低，双频通信功能强大。该模块广泛应用于低功耗设备中，如便携式电脑、远程信息处理、遥测遥感和工业通信等领域，该模块也是西门子早期推出的产品。ＧＲ４７／ＧＲ４８是ＳｏｎｙＥｒｉｃｓｓｏｎ公司推出的带有ＧＳＭ／ＧＰＲＳ全套语音和数据功能的无线模块、。可支持语音数据、传真、短消息和ＷＡＰ等功能。该模块的性能参数如下表３．１所示。表３．１ＧＲ４７模块的性能参数表Ｔａｂ．３，１ＴｈｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＧＲ４７ｐｐ－Ｇ＾ＧＳＭ９００ＥＳＭ９００ＧＳＭ１８００ＨＺ）ＴＸ－－－频率范围（Ｍ：８００９１５ＴＸ：８８０８９０ＴＸ：１７１０１７８５ＲＸ－－－：９３５９６０ＲＸ：９２５９３５ＲＸ：１８０５１８８０频道间隔２００ｋＨＺ２００ｋＨＺ频道号１７３载波＊８（ＴＤＭ）３７４载波＊８（ＴＤＭＡ）ＧＳＭ－ＣＳ５２－８８５：频道１１２４Ｄ：频道１－ＥＧＳＭ９７５－１０２３：频道调制ＧｌｔＳＫＧＭＳＫ双向间隔４５ＭＨＺ９５ＭＨＺＴＸ相位精度〈５ＲＭＳ相位误差〈５ＲＭＳ相位误差－－天线接收灵敏度＜１０２ｄＢｆｌ＜１０２ｄＢｍ天线发射机输出功率４类２Ｗ（３３ｄＢｍ）１类ｌＷ（３０ｄＢ！ｎ）ＧＲ４７／ＧＲ４８模块广泛应用在包括ＰＤＡ，金融交易、物流、遥控遥测、移动办公、－－２６ 大连理工大学专业学位硕士学位论文交通控制系统、智能告警系统、遥测系统、无线付费电话等设备之中。相比其他无线Ｍｏｄｅｍ，ＧＰ４７模块内置ＴＣＰ／ＴＰ协议栈，内嵌３２位控制器，采用实时操作系统；支持９００ＭＨｚ和１８００ＭＨｚ双频带ＧＳＭ，支持ＴＣＰ／ＵＤＰ方式传输数据，其ＴＣＰ／ＩＰ协议栈也可通过ＡＴ命令或嵌入式应用进行访问。本设计的抄表终端对ＧＰＲＳ模块要求极为严格，因此本设计选用性能较高，价格相对较高的ＧＰ４７模块。接口电路如下图３．１５所示。ＧＰ４７ｔ口難＿ＧＮＤＶＣＣＰ１０三ｍＣＨＧＩＮＣＭＱＦＦ０ＣＳＥ１Ｓ／ＡＤ４ＥＮＣ一＂ｓｉｍｄａｔａＳＩＭＲ５ＴＤＡＣ一Ｉ０２／ＡＤＣ厂￣—ＶＩＯＩＴＫＥＹＲ＾ＩＣＨ／ＫＥＹＲ０Ｖ４￣ＡＤＣＩ０２／Ｋ￡ＹＲＣＭ１］￣ＶＲＴＣＡＤＣ３ＡＤＣ２ＳＣＬＯＳＣＢＵＺＺＥＲＶＩＯＬＥＥＶ丨０６Ｒ１ＴＦＯＪＰＣＤ＇ＥｆＴＲ／ＫＥＹＲＯＷＴＭＣＴＳ＾＾一‘Ｒ￥ｆ？ｉ＾ＲＤ一ＴＰＲＤ３一．ＴＴＯＲＤ２—“ＰＣＮＯ－ＤＰＣＭＵＬＤＰＣＭＭＯＰＣＰＣＭＣＬＫ一？ＭＩＣＮＭＩＣＰＢＥＡＲＮ￣ＢＥＡＲＰＡＧＮＤＡＦＭＳＳＥＲＶＩＣＥｍｉＡＧＮＤＨｄ３０Ｘ２ｅａｅｒ图３．１５ＧＰ４７模块接口原理图Ｆｉｇ．３．１５ＴｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅＧＰ４７ｍｏｄｕｌｅ３６．本章小节本章详细介绍了本终端的硬件电路设计，绘制了硬件电路的结构图和各个功能模块的电路原理图，并对每个部分做了详细的描述。首先分析了主处理器的对比选型，从功能需求、处理器性能、实现成本等多方面进行比较选择，最终确定了ＤＭ３７３０为主处理器。其次描述了整个硬件系统的总体结构，最后对详细描述电源管理模块、ＤＤＲ模块、以太网模块、ＲＳ４８５模块、ＲＳ２３２模块、时钟模块、ＧＰＲＳ模块等各个功能模块的原理图、所用芯片及其性能参数。－２７－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现．４终端的印制电路板设计本章主要讨论本终端的印制电路板（ＰＣＢ〉的设计以及注意事项。ＰＣＢ是整个终端的硬件基础一旦出。ＰＣＢ设计的优劣将直接影响到抄表终端的性能的好坏，此部分设计现问题，通常会造成系统频繁的死机、主频无法达到设计要求、误触发，严重的时候甚２１至会直接导致系统无法工作［］。因此ＰＣＢ设计是硬件设计的重要组成部分。ＰＣＢ设计要综合考虑各种因素：如ＰＣＢ的层数选择、叠层设计、介质材料、元器、件整体的布局信号走线、关键电路的保护等。在射频电路设计中要考虑阻抗控制，射频信号的保护及元器件之间的电磁干扰等因素。本设计中存在ＤＤＲ２等高频高速信号。，因此在设计时要考虑高速信号完整性问题。信号完整性理论中，将工作频率超过５０ＭＨｚ的电路认定为高速电路高速数字电路中信号的高速变化会使该部分的电磁场发生变化，变化的磁场会产生电的变化，进而改变电路中的数字信号与模拟信号的特性。高速信号通过导线时，会产生寄生电容和电感，此时导线本身产生了器件作用一，变成了有定容值和电感值的元器件，引发电路功能的改变。较为准确的高速信号的定义是根据信号沿变化的速度来定义的。设Ｔｒ为信号上升时间，Ｔ为信号线传播延时：ｄ，则有如下定义ｐ（１）当Ｔｒ》４Ｔｄ时，本身不会受干扰，信号保持原有状态；ｐ（２）当２Ｐｐｄ＜Ｔｒ＜４Ｔｐｄ，信号特性发生改变，产生器件作用，信号状态落在不确定区域；（３）Ｔ＜２Ｔ。当ｒ，信号性质完全改变ｐｄ对于落在不确定区域及问题区域的信号，会出现信号质量的突变。信号完整性理论中认为Ｔｒ＜４Ｔｄ时，该信号被视为高速信号，此时需要应用高速信号完整性理论来处理ｐ２２一【］一一。ＣＢ。该信号个好的Ｐ设计产品不仅是件工作可靠的产品，也是件艺术品４．１叠层设计层数的选择和叠层设计首要考虑电路板上的信号数量，信号线数量越多，需要的信号层数越多，叠层设计也越复杂。叠层设计考虑为每一层信号层提供至少一个参考平面，这个参考平面通常是电源层或是地层一，地层要好于电源层，参考平面是为信号线提供个信号返回路径，参考平面本身也起到隔离作用，隔离上下两个平面，减少他们之间的相互干扰。信号的传输不仅是从信号源端开始一，传输到信号终端止，还要有个从信号终端返回信号源端的过程，－２８－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文一这过程就是信号的返回路径－。信号完整性问题引起的故障中８０％９０％是有信号的返回２３［］路径导致。信号的返回路径如下图４．１所示。负载负载、ｍｙ？？＇／’？？／驱动门■？麵］Ｉ／／ＡＢ图４．１信号返回路径说明图Ｆ．ｉｇ．４１Ｔｈｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｂａｃｋａｔｈｐ图Ａ所示为低速电路的信号和返回路径的传播。如图所示的低速电路中，返回电流沿着阻抗最小的路径前进。信号从Ａ点传播到Ｂ点回信号沿地参考平面回到信，返号源端应。在图Ｂ所示的高速信号传播中，，信号的返回路径是沿着感抗最小的路径前进而感抗最小的信号返回路径则紧贴在信号导线的下面，信号返回电流近似于走直接路径。本设计采用８层电路板。其中４层信层，１层电源层，３层地信号层。如下图４．２所示。一ｓ■等＾＾一？１—、Ｎ一￣ＧＤ—Ｌ－ｆ—＿，ＵＪ－Ｊ／＾ＣｏｎｚｅｒＪ）Ｉｖｃｃ‘一—广１门—Ｉ——ｓ－＾ｉｅＬＪＬＪ＿＂＂“印Ｄ一＂＊一—￣门‘＾Ｐ＜？？ｆｌｎ２Ｇｍｆｌ：ＣｏｒｆｉｇｕｒｃＤｉＰ科－．￣Ｓ—＾ＩＧＣＺ３Ｇ—３ｔＣｉ？１２．Ｃｒｎｌ＿／ｙ［］‘ＧＮＯ￣￣－—＊■ＩｗｅｄａｎｃｅＣａｔａｉａｔｏｉ．．Ｉ＾ｆ１０ｐ；Ｂ伽Ｌｗ？—ｃＩＭｌｚｚＺＰ“ｉ買ｊ图４．２ＰＣＢ叠层设计图Ｆｉ．４．２ＴｈｅｄｅｓｉｎｃｈａｒｔｏｆｔｈｅＰＣＢｓｔａｃｋｕｇｇｐ－－２９， 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现４．２填充材料的选择一电路板的填充材料的介电常数？４般变化范围是３．６．５，它的数值随着频率，温度等因素变化也随之变化，因此要根据电路的工作频率选择填充材料。常用的填充材料有一ＦＲ－４Ｓ－４是ｚ和ＲＯＧＥＲ两种。ＦＲ种典型的介电材料，在ｌＯＯＭＨ时的平均介电常数为－４．２０ＲＯＧＥＲＳ平均介电常数３．４４射频电路板手机电路为，其性能优于ＦＲ，通常用在，－。ＦＲ４作为ＰＣＢ的填充材料，因板等较高应用场合，但其价格也比较昂贵本设计使用２４］［为它更低的吸湿性能，更低的电导性，更经济实用。４．３整体布局布线合理的布局是ＰＣＢ设计成功的关键合理的布局能够很大程度的减少布线时间，，提高设计的可靠性，因此在ＰＣＢ设计中，布局占用整个设计的大部分时间。目前常用的ＰＣＢ设计软件有Ｐｒｏｔｅｌ、ＯｒＣＡＤ、Ｖｉｅｗｌｏｇｉｃ、ＰｏｗｅｒＰＣＢ、ＣａｄｅｎｃｅＰＳＤ、ＭｅｎｔｏｒＧｒａｐｈｉｃｅｓＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ等多种。这些软件都提供手动和自动两种布局布线方式，设计中通常选用手动布局的方式进行整个电路板的布局，自动布局无法考虑到整个电路的全局，设计２５［］软件也没有达到如此高的智能化。ＰＣＢ布局的首要原则是就近原则，即将实现相同功能模块的元器件就近摆放，相互靠近，这样可以保证相互之间的走线最短，减少与其他芯片之间的信号干扰。布局其次要注意将接口部分排放在电路板边缘，方便接口线的插拔。尽量将所有的一一接口都排列在侧，这样在进行接口设计的时候可以只在机器外壳的边开口。接口的。排布要和结构设计相互参考设计，以达到整体的安装和使用方便一整体布局同时要注重电路的美观性如同设计一，元，，件艺术品样件的排布要均衡，。疏密有序不能过度拥挤，过度拥挤将导致无法傳接，因此布要考虑到爆接的可操作性测试点的布局要方便整个ＰＣＢ的安装和调试，否，关键信号的测试点要靠近被测信号则测试数据与原数据差别较大，相互远离，减少数；要注意将数字电路与模拟电路分开模电路的相互干扰。相同电压的用电芯片需邻近摆放，以减少电源线走线的长度，进而减小对系统的干扰，提高电源的稳定性，避。为了尽量减少信号线的交叉免使用过多的过孔，经常需要根据不同的连线关系对子模块内的元件位置进行调整，布局与布线要在整个设计过程中相互协调，达到最好的平衡。本设计在布局时将以太网接口、ＲＳ２３２接口、ＲＳ４８５接口和ＴＦ卡接口等放置在电路板边缘，方便接插使用电源部分紧邻用电部分，同时考虑大功率电感自身产生的噪；声对控制器的影响，将其远离控制器ＦＬＡＳＨ和ＤＤＲ器件紧邻主控制器。ＤＭ３７３０对；－３０－ 大连ａｘ大学专业学位硕士学位论文ＦＬＡＳＨ和ＤＤＲ的布局做了严格限制。如下图４．３所示。限制中要求ＤＤＲ部分与ＤＭ３７３０的直线距离不超过２５ｍｍ。——－？Ｘ４ＡｌｌＩ－ｊＩｒｆ－ＪＩ＿偏禾离Ｉ《距ＩＹ内存顆粒羊一４ｔ」一．处理器偏移离＊￣￣．，Ｆ推Ｊ内存颗粒位置图４．３ＤＭ３７３０对ＦＬＡＳＨ和ＤＤＲ的布局要求Ｆｉ．４．３ＴｈｅｌａｏｕｔｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎＤＭ３７３０ａｎｄＦＬＡＳＨｇｙｑ上图４．３中Ｘ和Ｙ的值如下表４．１所示。表４．１ＤＭ３７３０对ＦＬＡＳＨ和ＤＤＲ的布局参数说明表Ｔａｂ．４．１ＴｈｅｌａｏｕｔｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔａｒａｍｅｔｅｒｂｅｔｗｅｅｎＤＭ３７３０ａｎｄＦＬＡＳＨｙｑｐ序号？最小值最大值Ｍ１Ｘ１４４０ＭＵｓ２Ｙ１０３０Ｍｉｌｓ３Ｙｏｆｆｓｅｔ５２５Ｍｉｌｓ４ＬＰＤＤＲＫｅｅｐｏｕｔＲｅｇｉｏｎ１００１０００Ｍｉｌｓ布局中要注意去親电容的布局。去親电容是ＰＣＢ电路板上使用的最多的器件，在ＤＭ３７３０控制器周围、ＦＬＡＳＨ芯片、ＤＭ９０００芯片等各个功能芯片周围，都需要布放去耦电容。作为局部电路的能量储存原件，去親电容可在数百赫兹到数百兆赫兹频率范围内提供稳定有效的电压，持续时间可以达到数毫秒，在电路电压波动时，保证用电器件工作可靠。在实际使用中要根据具体的电路参数来计算电容的容值和数量。根据电路板２６［］的尺寸大小和精度要求确定电容封装型号、放置的部位以及扇出的方式等。一通常在进行电容的布局时要注意下几点：一（１）在些功耗大、频率高的器件周围，如ＤＭ３７３０控制器周围均勾布局４个储能电容，为该器件提供稳定有效的电压；（２）若用电芯片手册规定了电源管脚的去耦要求，则必须在供电引脚的就近位置放置去親电容；若芯片无指定要求，则在电源芯片中间摆放去親电容；－３－１ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现（３），电容封装越小，其引入的寄生电感和阻抗越小，因此对于固定容值的电容封装越小越好；（４）对于ＢＧＡ封装的控制器所用的高频小电容，尽量将电容布置在控制器的背。面，并且靠近用电引脚，且电容引线要尽量粗短（５）对于特定的封装尺寸，选择相应封装中可用的是高电容值；一（６）多个电容并排放置并需要过孔时，不可以公用个过孔，应尽量保证每个电容都有一个过孔。（７）注意从整体进行电容的布局，要疏密有错。整体布局如下图４．４所示。ｅＰ【網ｆｎｒｆｍ｜１Ｌ—ＰＤｉ■！Ｉ．ｆ．．ＩＩ：：：”Ｉ门，？ＩｉｎＭｎｔＫｉｉＭｔｉＭｎｔＫＭｉｎｎｉｒ：；Ｉ？－‘■】＞Ｍｓ；—Ｉ＇口‘‘？？：：？？■：；－．．／ＬＬ．ＪＤＭＭ？ＳＩ？？Ｍ—＂”ｎｉ口．＿＿口ｒ＂＇：ｉｎ口＿＾ｐＩ＿Ｉ＊－Ｊｌ－？？Ｕ＝：：ｉｆｉｆｉｆ门ＯＤｒｉｒＬ＂”—Ｉｒｈ：．．：：：．０ｆ：匚门口負门：ｎ□？口ｎＵ口？［＝］。［＝１口口：Ｈ＾，ｎｎ＂＇广．°－口－ｌｌＶＪ〉口ｔＷ？．－：：ＬＪ丨丨Ｉ－￣“Ｉ丨１１—丨Ｉ＾Ｉ图４．４系统整体布局图Ｆｉ４４Ｔｈｅｌａｔｈｔｔｈｔｍｇ．．ｙｏｕｃａｒｏｆｅｓｙｓｅ－－３２ 大连理工大学专业学位硕士学位论文？４４ＤＤＲ．分组等长布线内存技术的发展大致经历了ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ、ＤＤＲ２、ＤＤＲ３几个阶段。随着移动技术和图像处理技术的发展要求，又出现了ＬＰＤＤＲ和ＧＤＤＲ等内存技术。ｅａａ一ＬＰＤＤＲ是ＬｏｗＰｏｗｅｒＤｏｕｂｌＤｔＲａｔｅＳＤＲＡＭ的简称，是种，ＤＤＲＳＤＲＡＭ的又称为ｍＤＤＲ（ＭｏｂｉｌｅＤＤＲＳＤＲＭ），是美国ＪＥＤＥＣ固态技术协会（ＪＥＤＥＣＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）面向低功耗内存而制定的通信标准，以低功耗和小体积著称，专门用于移动式电子产品。ＧＤＤＲ（ＧｒａｈｉｃｓＤＤＲ）主要用于高速图像处理的场合比ｐ，如计算机的显卡中，其能够提供比传统ＤＤＲ更高的数据传输速率。ＧＤＤＲ５采用点到点通信而不是象普通ＤＤＲ那样是点到多点通信，，因此信号完整性更好数据传输速率更高。目前主流的ＧＤＤＲ５的数据传输速率是６Ｇｂ／ｓ，该种ＤＤＲ技术通常应用在高端处理器上。本设计中釆用的是ＬＰＤＤＲ内存颗粒，运行速度２００ＭＨｚ。为确保ＬＰＤＤＲ信号完整性，对ＤＤＲ走线有以下具体要求。所有信号走线应尽量靠近参考层Ｇｒｏｕｎｄ（地信号层），且保持ＤＲＲ区域Ｇｒｏｕｎｄ的完整性可使其Ｇｒｏｕｎｄ存在分割等不连续现象，不；ＤＤＲ走线区域不允许走其它无关信号线，ＤＤＲ信号Ｒｏｕｔｅ（布线）完成后对ＤＤＲ走线２７［区域最好进行整体包地处理以便与其它信号线进行分离］。所有ＤＤＲ的ＤＡＴＡ信号线分为四组，每组信号的走线要求如下－一一（１）每组走线尽量走在同层，等。所有Ｄａｔａ线要求。走线要求线宽均勻宽平行等长走线，当无法同时满足时，需要保持等长走线，且线宽保持均匀等宽，以保证所有走线特征阻抗相等，其线长误差控制在±１０ｍｉｌ内。（２）ＤＤＲ的Ａｄｄｒｅｓｓ（地址）信号线要求尽量平行等长走线，且线宽保持均匀等宽．当无法同时满足时ｅｓ确保，必须做到所有Ａｄｄｒｓ信号线等长且线宽保持均匀等宽，以走线的特征阻抗相同土ｌＯｍｉｌ内。，其线长误差控制在（３）所有差分信号对要求尽量平行等长且保持差分信号线对间线距最短进行走线，当无法同时满足时可改变其平行特性来满足走线等长且线宽保持均匀等宽，其线长误差控制在±１０ｍｉｌ。（４）所有ｄａｔａ（）信号部分走线在相同的ＰＣＢ层中且在各层走线等长数据，线宽均匀分布．存在换层时以相同数量的过孔进行换层ａｔａａｃｅ．，所有ＤＴｒ上的过孔数量相同？阻抗匹配在５０６０欧姆。（５）所有Ａｄｄｒｅｓｓ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌ信号部分走线在相同的ＰＣＢ层中且在各层走线等长，线宽均勻分布．存在换层时以相同数量的过孔进行换层，所有Ｔｒａｃｅ上的ＶＩＡ（过孔）？数量相同．阻抗匹配在５０６０欧姆。－－３３ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现４．５关键复位信号和时钟信号布线时钟电路部分就好比是整个电路的心脏，直接影响到ＣＰＵ及功能器件工作的可靠性。因此时钟信号线要进行保护布线，避免同层其他信号线的干扰。本设计ＣＰＵ和ＤＤＲ部分是差分时钟线，要进行等长设计，设计中釆用包地方式对其进行保护，即在该差分一时钟周围走圈地线，将其保护在其中，这样可以减少８０％的千扰，可以有效保证时钟［Ｍ数据的可靠性。差分时钟的包地处理如下图４．５所示。此部分时钟信号设计不可靠通常会造成ＤＤＲ的工作主频达不到２００ＭＨｚ的要求，工作在２００ＭＨｚ时，系统死机或是频繁重启。？參ｒ＂－Ｔｉ—ｎｎｌＬＴｌｎ＼ｆ＾？？？ＵｕｎＵＵｎｎＬｉｍｍ／＿＿＿１／１ＴＬＴＩ（１ｙ－ｉ＝Ｅｚ＊５＾］？？？？？ＵｎｎＵｎｎｎｎｎｎｎ？？？？＂＾ｔｎｎ？卞气＾ｎｎｎｎ＾＊ｍＮ、：／图４．５差分时钟的包地处理‘Ｆｔｈｉ４５Ｔｈｅｌａｔｃｈｔｉｆｆｔｉｌｌｉｌｇ．．ｙｏｕａｒｏｆｅｄｅｒｅｎａｃｏｃｋｓｇｎａ。复位信号同样釆用包地的方式进行保护，并尽量减少信号的换层和传输距离复位信号出现故障将导致系统莫名的复位和重启，直接影响系统功能。整个系统的电路布局布线时注意一下问题：将各个接口部分布局在电路板的周围，方便接口使用３７３０，、；以ＤＭ控制为核心布局ＤＤＲ芯片、电源管理芯片时钟管理芯片等，；电源走线部分加粗设计，保证通过电流，同时将电源芯片远离主控制器防止他们之间相互干扰。初始版本的实物图如下图４．６所示。－３４－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文－■山■－：■言ｒ…ｒ卞；：？＂？．＂＇■“■－：？■：，．？．：ｉ＂：ｆｅｒ热４Ｖｒ１，＾掩｜｜ｒ［１：‘；丨ｉ凝ｉ－．焉‘■尊巧１ｉｉ－＇■》？：：；■：；，：，■妄谱！！女士：ｉ＇．．，斤■－．”‘醉：鋒奮－！＿暴參尉１ｆｍｄ＾ｉ＾Ｗｉ：ｒ１‘？ｔｌ■＊ｉｉ川ｉＭＭｉＩＩｌｉｎ■＿ＩｉｌＩｉｍＩｉＩｌｉｉ图４．６电路板实物图Ｆｉｇ．４．６Ｔｈｅｒｅａｌｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ４．６硬件部分的调试硬件工程师要给软件设计人员提供基本的开发平台，因此必须保证辉接后的板卡能正常启动。傳接后的板卡测试主要分为三个部分：首先是板卡的傳接状况检查，确认有无漏爆和虚傳状况；其次是上电测试；最后是程序启动测试和接口电路测试。４．６．１ＰＣＢ的设计检查与爆接ＰＣＢ设计完成后要经过严格的检查和设计评审。根据不同等级的要求，设计评审的程序也不同。严格的设计评审是保证ＰＣＢ设计正确关键，也是保证ＰＣＢ工作稳定性的关键。ＰＣＢ设计软件本身可以通过设置设计规则，进而通过软件自动进行错误检查，这一。是ＰＣＢ设计检查的第步其次可以通过信号完整性规约设计，进行ＰＣＢ的信号完整性仿真。ＣａｄｅｎｃｅＡｌｌｅｇａｒｏ设计软件的信号完整性功能较强，许多高速电路的ＰＣＢ设计都是釆用该软件设计。本设计中选用的ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ设计软件，该软件可以进行错误－３５－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现检查，但是信号完整性仿真功能较弱，因此信号完整性部分通过设计规约和设计经验来保证。ＰＣＢ设计完成以后要进行ＰＣＢ制版工作，此部分交由印制电路板厂商来加工。加工好的ＰＣＢ首先要仔细检查，，从外观部分检查是否有明显的断痕和擦伤等部分对照原理图和ＰＣＢ设计图检查制作好的电路板是否有短路、断路等工艺问题。电路板检查无误后方可进行傳接工作。电路板的燥接可以选择外协傳接或是内部傳接。如果是外协择接，则所有的元器件一通常次揮接完毕。此时拿到电路板首先要检查是否存在漏揮和错捍等问题。芯片的引。脚对应是否正确，包电容等部分元器件是有正负级之分，若煌接错误通常会烧毁器件。如果是内部燥接加工，则先分模块傳接首先偉接电源模块部分，测试每个电源模块工作准确无误后再燥接剩余部分。调试的时候需要先测试电路上的各个电源部分是否存在。短路，如果出现短路状态，需要先解决短路故障然后再上电４．６．２系统的上电调试电源模块是系统的血脉，，此部分如果工作不正常系统则无法稳定运行。电源模块调试时要先断幵后及用电电路，防止电源模块短路损毁后及用电电路。上电测试时，要先设置较低的电流阀值，防止各个芯片内部的管脚短路损毁器件。检测芯片发热是否在正常工作范围，内测量各个测试点的电压值是否正常。如若上述步骤中发现异常，则迅速切断电源，排查电路是否有短路，虚爆、假揮和断路等情况，或是芯片本身的故障。排除故障后方可继续调试。本系统中使用三种电源芯片，ＡＰＷ７０８０、ＬＭ１１１７和ＴＰＳ６５９３０。其中ＡＰＷ７０８０、ＬＭ１１１７分别输出５Ｖ电压，ＴＰＳ６５９３０作为电源管理芯片，负责ＤＭ３７３０的上电管理工作。系统上电之前，先断开ＶＤＤ５／ＶＤＤ３３，ＶＤＤ１８和ＶＤＤＩＯ与后及电路的连接的０欧姆电阻，上电后测量他们的输出电压是否为５Ｖ、３．３Ｖ、１．８Ｖ和１．２Ｖ，并检测供电电流的大小。电源模块工作正常后，得接原电阻，检测供电电流大小。本系统调试时，静态工作电流为０．５Ａ左右，工作正常。核心电路是嵌入式机房监控硬件系统至关重要的部分，也是本系统硬件结构最复杂的部分，。核心电路的调试包括目检和电压检测。仔细检查核心器件有无择反的情况测５Ｖ３．量各个电源引脚的电压是否正常。分别测试电路中的．３Ｖ１．８Ｖ２Ｖ等，，以及１测试点一一Ｉｃｏｒｔｅｘ－７３０ＴＩ电压是否正常。核心电路包括颗Ｔ公司的Ａ８核心的处理器ＤＭ３，颗—一公司的电源管理芯片ＴＰＳ６５９３０，颗ＦＬＡＳＨ与ＤＤＲ合二为的存储芯片以及外部的接口芯片和电平转换芯片。各个电压工作正常后，使用示波器测量晶体振荡器输出是否－３６－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文正常，即晶体向控制器提供的时钟是否正常。吋钟部分正常后测量复位信号。用示波器测量复位信号测试点，选择单次触发模式，，按复位键按照复位芯片的数据手册测量输出复位信号是否满足系统的基本要求。当电源、复位电路、时钟电路工作全部正常后，配置控制器的启动模式开关，设置－为程序烧写状态，依次烧写编译好的ｕｂｏｏｔ、ＬｉｎｕｘＫｅｒｎｅｌ和文件系统文件。烧写成功后配置启动模式，再次启动电路。通过串口和超级终端观察启动的打印信息，判断启动是否成功。４．６．３各个接口电路部分的调试核心电路启动成功后要进行接口电路的调试，本系统中使用了ＪＴＡＧ接口、以太网接口、ＲＳ２３２接口、ＲＳ４８５接口等。分别调试各个接口模块。ＪＴＡＧ接口是硬件边界扫描接口，负责烧录ｕｂｏｏｔ等启动程序，同时也作为硬件检测接口。该接口直接与控制器相连，保证择接正确和使用正确的情况下通常无需进行调试，此接口如果连接不上，通常是电路燥接或是处理器损毁。其次要进行ＲＳ２３２接口电路的调试。该接口负责基本的打印信息的操作，是调试程一序的最重要的接口。ＲＳ２３２接口部分通ＡＸ２３２芯片构成此旦此部分接口常由Ｍ，因出现故障，则首先检查此部分电路，测试各个管脚的电平是否正确。使用超级终端显示串口的输出信息。串口电路相对简单，本设计中没有出现故障。ＰＨＹ芯ＲＪ４５口以太网接口部分相对复杂，由片、变压器和接实现。此部分调试要结合驱动程序，使用示波器和网络分析仪等工具进行。本设计选用的ＤＭ９０００网口芯片，此芯片集成度高、驱动程序稳定可靠、电路原理部分成熟，调试过程中，测试各个部分电源正确，启动后能够ｐｉｎ通网口，使用ｗｉｒｅｓｈａｒｋ测试软件对网口丢包情况进行测试，２４小时高速数据传输情况下丢包率为０，网口部分工作可靠。ＲＳ４８５接口的调试同样需要软硬件联合调试。系统上电前，首先检查确认所有的电源和地连接是否正确，８５排除短路情况，，然后连接４通讯设备安装确认无误后幵机上电。Ｌｉｎｕｘ系统启动成功后，加载编写好的４８５驱动文件，注册该Ｌｉｎｕｘ驱动文件，对该驱动文件进行ｉｏｃｔｌ操作和数据读写操作。在对４８５驱动程序测试过程中，需要从４８５模块中读取数据和写入数据，最终通过４８５模块处理后，通过串口发送出去。此时通过比较发送出去的数据和读取到的数据是否正确。对４８５模块测试，还需要检测４８５模块对ｉｏｃｔｌ命令是否进行了及时的响应，配置开关是否正确。－３７－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现４．７本章小结ＰＣＢ本章主要阐述了系统的设计要点。首先根据系统信号线的密度进行叠层设计，８层电路板一设计采用，并未每层提供了参考平面层。其次对比分析了填充材料的选择，采用ＦＲ４介质材料，保证电路可靠工作的同时也适当降低成本。对系统的整体布局布线进行详细的描述，并对ＤＤＲ部分的分组等长布线做了详细说明。最后对时钟和复位等关键部分电路的布局布线进行详细分析。可靠地布局布线工作保证了ＰＣＢ工作的可靠性。３８ 大连理工大学专业学位硕士学位论文５智能抄表终端的软件设计５．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统ＤＭ３７３０为Ｃｏｒｔ－Ａ８系列的ＡＲＭ产品ｅｘ。本身可以支持裸机程序Ｌｉｎｕｘ操作系、统、Ｗｉｎｃｅ操作系统和Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统。本终端采用Ｌｉｎｕｘ操作系统。Ｌ一ｉｎｕｘ操作系统是网络发布和融合。它种开源的系统，其所有内容都通过来源于ＵＮ一ＩＸ系ＵＮＩＸ的基ＵＮＩＸ统，继承本特征，但是其功能在许多方面超过了，是个稳定成熟的操作系统，其内核所有的源代码都在网络上进行公开，用户不仅不用付费，而且可以针对自己的系统对内核进行裁剪，根据自己的特殊应用开发和定制内核，节约了系统的资源。随着嵌入式技术的发展，Ｌｉｎｕｘ系统已经被广泛应用于嵌入式处理器中，Ｌｉｎｕｘ的幵放特性使其深受广大用户喜爱，同时Ｌｉｎｕｘ系统也是性能及其稳定的操作系统，被广泛应用到各种控制产品中：，其特性如下（１）Ｌｉｎｕｘ是多任务多用户的操作系统，支持多个用户在线和多个进程同时进行；（２）有完善的内核编程接口，方便驱动程序和应用程序的调用；（３）提供分层的文件系统，并具有内置的安全措施，能够保证系统工作的稳定性；（４）提供强大的管理功能，包括远程管理功能；（５）具有简单易用的图形用户接口，Ｌｉｎｕｘ自带的ＱＴ图形工具可以方便的进行界面设计，为用户提供良好的人机交互；（６）Ｌｉｎｕｘ系统内部提供了大量实用的应用程序和工具；？（７）多种高级程序设计语言已经移植到Ｌｉｎｕｘ系统上。（８）Ｌｉｎｕｘ系统即可用于大型的服务器，也可应用与小的嵌入式处理器上，内核３ａ］［最小可裁剪到几百ＫＢ的大小。５．２系统启动过程嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统启动通常可以分为如下四个层次：引导加载程序（ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ）、启动Ｌｉｎｕｘ内核，加载文件系统，启动用户应用程序。一（１）引导加载程序。ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ是系统启动时执行的第段程序，它的作用类似－与ＰＣ机上的ＢＩＯＳ程序，，用于完成机器上电工作后的引导，进行控制器的初始化为内核引导开辟空间。整个过程包括初始化硬件设备、建立内存空间映射、将内核映像从非易失性存储器如Ｆｌａｓｈ中拷贝到ＲＡＭ中，然后跳转到内核的首地址运行。－３９－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现（２）启动Ｌｉｎｕｘ内核。Ｌｉｎｕｘ内核有不同的版本，每个版本的基本功能大致相同，但是版本越高，代码的优化程度越高，执行效率越高。Ｌｉｎｕｘ内核要根据板卡的外设接口以及一功能需要进行相应的裁剪和设定启动参数，，为嵌入式应用提供个软件环境根据需要会添加相应的硬件驱动程序。Ｌｉｎｕｘ内核是整个软件系统的基石，所有的驱动程序和上层应用程序都要基于Ｌｉｎｕｘ内核进行编写。（３）加载文件系统。文件系统是负责管理和存储文件信息的软件机构，是整个软件系统的重要组成部分，任何系统都必须要有文件系统。文件系统通常由两部分组成，包括根文件系统和建立在Ｆｌａｓｈ设备上旳文件系统。（４）应用程序。应用程序是实现用户特定需求的程序，根据用户的需求自主编写。应用程序在文件系统之上，文件系统启动完成后再启动用户应用程序，可以在Ｌｉｎｕｘ内３１［］核中设置应用程序的自动启动。一３７３０－本系统使用的ＤＭ处理器的启动有所不同，多了级ｘｌｏａｄｅｒ启动。该部分在－Ｂｏｏｔ启动之前Ｕ。基于ＤＭ３７３０处理器的板卡启动过程如下图５．１所示。－－ｘｌｏａｄｅｒ首先启动，其次依次是ＵＢｏｏｔ、内核、文件系统和用户程序。系统各组成部分特性及作用介绍如下：“Ｘ－ｏａｄ－？－ｌｅｒ？Ｕｂｏｏｔ？ｋｅｒｎｅｌｒｏｏｔｆｅ？Ｕｓｅｒａｒｅａ图５．１ＤＭ３７３０处理器的板卡启动过程Ｆｉ５．１ＴｈｔｔＤＭ３ｂｇ．ｅｓａｒｒｏｃｅｓｓｏｆ７３０ｒｏｃｅｓｓｏｒｏａｒｄｐｐ一Ｘ－ｌｏａｄｅｒ是第级系统引导程序，系统上电后该程序由ＣＰＵ内部的ＲＯＭ自动拷贝到其内部的ＲＡＭ中执行－ｌＵ－Ｂｏｏｔ。Ｘｏａｄｅｒ的主要作用ＣＰＵ是初始化，其次是拷贝文件－－到内存中执行，然后把控制权交给ＵＢｏｏｔＵＢｏｏｔ是第二级系统引导程序，主要功能；是用于和用户进行交互，引导内核等功能。Ｌｉｎｕｘ内核版本使用的是Ｌｉｎｕｘ２．６．３０内核，根据ＤＭ３７３０处理器进行内核定制；ｒｏｏｔｆｓ采用开源文件系统ｕｂｉｆｓ，特别适用于嵌入式系统。用户程序是基于文件系统之上的，用户将程序编译好之后以可执行文件的形式放在文件系统中，并设置开机自动运行即可。－４０－ 大连理工大学专业学位硕掉位论文５．３搭建开发环境－Ｌ要进行ＵＢｏｏｔｉ、。，ｎｕｘ内核文件系统等的移植，首先要搭建移植的开发环境嵌入式软件开发通常选用交叉编译方式。这样可以避免由于嵌入式开发板的资源有限导致的编译效率低速度慢的问题。所谓交叉编译，就是利用运行在某台计算机（宿主机上的编译器编译程序，生成在）另一台机器（目标机）上运行的目标代码的过程。这种交叉编译环境不同于普通微处理器的软件开发环境，普通微处理器开发是在ＰＣ机上安装程序开发包，编译和调试直接。ＰＣ都在开发包上进行。交叉编译的结构如下图所示宿主机通常是机，目标机为设计３２［］出的开发板。他们之间通过ＲＳ２３２接口和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接口进行通信。嵌入式开发中宿主机和目标机的关系如下图５．２所示。＠标机Ｉ丨ＲＳ２３２‘虚拟机丨＿？ＤＭ３７３０系统ＥｔｈｅｒｎｅｔＵｂｕｎｔｅＬｉｎｕｘ系统ＩＩ宿主机：ＰＣＷｉｎＸＰ系统图５．２嵌入式幵发中宿主机和目标机的关系Ｆｉｇ．５．２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｈｏｓｔａｎｄｔｈｅｔａｒｇｅｔ本设计幵发中，宿主机是ＷｉｎＸＰ系统，在ＷｉｎＸＰ系统上安装虚拟机，虚拟机上运行Ｕｂ＿９．１０操作系统。目标机即本设计的基于ＤＭ３７３０的控制板。在Ｕｂｕｎｔｕ终端执行下面指令，将交叉编译工具解压到／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ目录下面，此部分工具在ＴＩ的官方网站上下载，命令和注释如下：ｃｄ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｍ／ｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ／／进入目标路径－－－ｔａｒｘｖｆａｒｍｅａｂｉ４４０ｔａｒｂｚ２Ｃ／ｈｏｍ／ｅｍｂｅｓｔ／／．．．．ｅ解压文件到相应目录下－－ｔａｒｘｖｆａｍｉ２００７ｑ３．ｔａｒ．ｂｚ２Ｃ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／／解压文件到相应目录下一些工具，源码编译中用到其它的，同样存放在的ｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ目录下执行以下命令拷贝文件到ｔｏｏｌｓ目录：ｍｋｄｉｒ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ／／建立ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ目录ｃｐ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｍ／ｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ／ｍｋｉｍａｇｅ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ／／拷贝文件到ｔｏｏｌｓ目录ｃｐ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｍ／ｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ／ｓｉＧＰ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ／／拷贝文件到ｔｏｏｌｓ目录ｇｎｃｐ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｍ／ｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ／ｍｋｆｓ．ｕｂｉｆｓ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ／／拷贝文件到ｔｏｏｋ目录－４－１ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现ｃｐ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｍ／ｌｉｎｉｉｘ／ｔｏｏｌｓ／ｕｂｉｎｉｚｅ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｌｓ／／拷贝文件到ｔｏｏｌｓ目录ｃ／ｍｅｄｉａ／ｃｄｒｏｌｉｎｕｘ／ｔｏｏｌｓ／ｕｂｉｎｉｚｅｆ／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅｓｔ／ｔｏｏｓ／／ｌｓｐｍ／．ｃｌ拷贝文件到ｔｏｏ目录ｇ：以上工具安装完成后，还需要使用如下命令把它们添加到临时环境变量＝－－ｓｔｏｏｓｒｔ：ｅｘｐｏＰＡＴＨ／ｈｏｍｅ／ｅｎｉｂｅｓｔ／ａｒｍｅａｂｉ４．４．０／ｂｉｎ；／ｈｏｍｅ／ｅｍｂｅ／ｔｌ￥ＰＡＴＨ３３［］至此，软件开发环境搭建完成，接下来要进行启动代码的编译。５．４编译启动代码—５－．４．１级启动代码Ｘｌｏａｄｅｒ编译和移植Ｘ－ｌｏａｄｅｒ的代码，非常短小，所做的工作也非常简单，主要完成初始化系统时钟和－－ｔ初始化外部内存，即本系统的ＤＤＲＢｏｏｌｏａｄｅｒ；最后引导Ｕ启动。本系统中的ｘ映像／－文件支持ＭＭＣＳＤ启动。ｘＩｏａｄｅｒ映像文件的编译过程如下。－－－ｅｒｃｄｘｌｏａｄｅｒ０３．００．０２．０７＂进入ｘｌｏａｄ代码路径ｍａｋｅｄｉｓｔｃｌｅａｎ／／清空编译环境ｍａｋｅｏｎｉａ３ｄｅｖｋｉｔ８５００ｃｏｎｆｉ／／执行编译命令ｐ＿ｇｍａｋｅ－ｌｉｓｉｎＧＰｘｏａｄ．ｂｎｇ－ｍｖｘｌｏａｄ．ｂｉｎ．ｉｆｔＭＬＯ执行完以上操作后，当前目录下会生成我们需要的ＭＬＯ文件。将该文件放入ＭＭＣ／ＳＤ中ＳＤ。，选中卡启动方式，上电启动即可５－．４．２二级启动代码Ｕｂｏｏｔ的编译和移植Ｕ－Ｂｏｏｔ１、综述一Ｕ－Ｂｏｏｔ是ＵｎｉｖｅｒｓａＧＰＬ条ｌＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的简称，它是个开放的源码项目，遵循－－ＢｏｏＢｏｏｔ中款。Ｕｔ的编译形式、目录结构与Ｌｉｎｕｘ内核有众多的相似之处，Ｕ的许多－Ｂｏｏｔ能够支持多种处理器设备驱动都是从Ｌｉｎｕｘ内核源程序改编而来。Ｕ，最常见的如ＡＲＭ处理器和Ｘ８６处理器ＰｏｗｅＰＣ。－、ＭＩＰＳ、ＸＳｃａｌｅＵｂｏｏｔ，其支持的处理器还包括ｒ提供丰富的设备驱动接口，如ＲＳ２３２接口、以太网接口、ＵＳＢ接口、键盘接口等，另ＳＤＲＡＭ－外其还支持、ＬＣＤ、ＦＬＡＳＨ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＴＣ、ＮＶＲＡＭ等驱动。ＵＢｏｏｔ能够３４［］ｉ、。引导多种操作系统内核启动，如ＬｎｕｘＶｘＷｏｒｋｓ、ＲＴＥＭＳ、ＱＮＸ、ＡＲＴＯＳ等－ＵＢｏｏｔ引导加载程序功能强大：，所支持的主要功能如下（１）文件系统的引导：能够引导各种文件系统，如支持ＲＡＭＤＩＳＫ形式的根文件系统，ＮＦＳ挂载形式的根文件系统，支持从ＦＬＡＳＨ中引导系统内核；４２ 大连理工大学专业学位硕士学位论文（２）支持ＦＬＡＳＨ、ＥＥＰＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等多种存储方式；（３）提供各种功能接口：如ＲＳ２３２接口、ＵＳＢ接口、ｌＯＯＭＨｚ以太网接口等，为不同的开发阶段的调试工作提供便利，可以灵活的配置和传递各种参数，（４）支持多种外部设备驱动：如键盘接口、ＬＣＤ、ＳＤＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ、ｐａ、ＲＴＣ、ＦＬＡＳＨ等；（５）支持上电自检测功能：如上电后自动检测ＳＤＲＡＭ和ＦＬＡＳＨ大小，自检测各种ＣＰＵ型号，也可以对ＳＤＲＡＭ的故障进行检测；（６）支持ＣＲＣ３２校验功能，可以校验ＦＬＡＳＨ中的内核文件和ＲＡＭＤＩＳＫ镜像文件是否完好；，Ｕ－Ｂｏｏｔ根ＣＰＵ体系结构而有ＰｏｗｅｒＰＣ、ＭＩＰＳ、ＸＳｃａｌｅ和ＡＲＭ据不同的所不同，如一－－Ｂｏｏｔ处理器的Ｕ各不相同。几乎不可能为所有嵌入式系统建立个通用旳ＵＢｏｏｔ程序。－Ｂｏｏ－但是Ｕｔ仍然具有很多共性，可以根据不同的板卡进行ＵＢｏｏｔ的裁剪和移植工作。－ＵＢｏｏｔ的主要目录结构如下表５．１所示。５－１ＵＢｏｏｔ表．的主要目录结构－Ｔａｂ．５．１ＴｈｅｍａｉｎｄｉｒｅｃｔｏｒｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＵＢｏｏｔ子目录描述说明／ｂｏａｒｄ包含ＳＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ等硬件结构相关的驱动代码；／ｃｏｍｍｏｎ包含内存大小探测与故障检测等独立于处理器体系结构的代码；／ｃｕ包含串口ｐ、ＬＣＤ驱动、网口及中断初始化等与处理器相关的文件；／ｄｒｉｖｅｒＦＬＡＳＨ与ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ驱动等通用设备驱动包含ＮＯＲ；－／ｄｏｃ主睪是ＵＢｏｏｔ说明文档；／ｅｘａｍｌｅｓ包含如ｈｅｌｌｏｗｏｒｉｄ．ｃｔｉｍｅｒ．ｃ样列程序ｐ，等；＿／ｉｎｃｌｕｄｅ包含Ｕ－Ｂｏｏｔ的头文件此目录中的与目标板相关的头文件是经常要修改的文件；；／ｎｅｔ包含网络功能相关的文件，如ｂｏｏｔｎｆｓｔｆｔｐ，；，ｐ／ｐｓｔｏ是要是上电自检文件目录；／ｒｔｃ是要是实时时钟驱动程序／ｔｏｏｌｓｂｉｎ包含用于制作．镜像文件的工具；２－、ＵＢｏｏｔ的启动过程一－Ｂｏｏ可以将Ｕｔ的启动流程分为两个阶段，如下图５．３所示。第阶段的代码通常由汇编语言完成，该部分主要实现依赖于ＣＰＵ体系结构的功能部分，代码在ＦＬＡＳＨ中执■－－４３ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现＾行；第二阶段代码通常由Ｃ语言编写，此部分实现接口部分的初始化工作。此阶段代码３５［］ＡＲＭＵ－Ｂｏｏｔ。在控制器中运行，对的修改工作通常都在此阶段进行一一Ｕ－Ｂｏｏｔ启动的各个阶段主要完成下工作。第阶段主要完成：（１）定义入口，设置异常向量；关闭ＣＰＵ内部指令Ｃａｃｈｅ，完成ＲＡＭ初始化，屏蔽所有中断。（２）初始化内存控制器和ＣＰＵ相关的锁相环和中断控制寄存器；（３）ＲＯＭ中的ＲＡＭ中设置堆栈，将代码复制到；（４）由Ｉｄｒｃ指令跳转到Ｓｔａｅ２的Ｃ代码入口点；ｐｇＳｔａｇｅｌＳｔａｇｅ２定义乂口一ＩＩ］调用系列‘ｔ初始化函数，置男ＰＩ设常向量ＩＶ：’设置时钟以及）申口酬°中断控制器ｒ，初始化内存控制器ｆｌａｓｈ设备７ｒ置堆找Ｉ设Ｉ初始化内存１分配函数复制ＲＯＭ中的ｉ代码肿—将环：ｉ变量读入内存、…Ｌｎ进入Ｃ代码１＾￣？－调用函数：ｍａｉｎｌｏｏｐ＿－图５．３Ｕｂｏｏｔ启动过程流程图Ｆｆ－ｉｇ．５．３ＴｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏＵｂｏｏｔｂｏｏｔｐｒｏｃｅｓｓ第二阶段主要完成：（１）调用初始化函数；－（２）初始化串口控制台；（３）初始化ＦＬＡＳＨ设备；（４）初始化内存分配函数，准备硬件设备；（５）将环境变量读入内存；设置内核启动参数；（６）启动Ｌｉｎｕｘ内核。－４４－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文Ｔ－Ｉ官网ＵＢｏｏｔ的移植未作大的改动，本系统参考了提供的开发板资料，此部分对－Ｂｏｏ对Ｕｔ的编译过程如下。执行如下命令：－－－入Ｕｕｂｏｏ３０００２０７／／Ｂｏｏｔｃｄｔ０．．．使用ｃｄ命令’进代码所在路径ｍａｋｅｄｉｓｔｃｌｅａｎ／／清空当前编译环境ｄｅｖｋ－ｍａｋｅｏｍａ３ｉｔ８５００ｃｏｎｆｉ／／使用ｍａｋｅ命令编译ＵＢｏｏｔｐ＿＿ｇｍａｋｅ－ｂｏｏ．ｂ，完整的执行以上操作命令后，在当前目录下会生成ｕｔｉｎ文件即我们所需的Ｕ－Ｂｏｏｔ镜像文件。５．４．３Ｕｎｕｘ２．６．３０版本内核的移植和裁剪ｉ－ｉ本系统选择的是ｌｉｍｘ２．６．３０版本的内核。与之前版本的Ｌｎｕｘ内核相比，Ｌ＿ｉｍｘ２．６．３０。Ｌｉ．６ｉ版本的内核提高了实时性ｎｕｘ２以上版本的内核改进了终端相应算法。和调度响应算法，最明突出的改进是釆用了可抢占的内核，提高了同步性Ｌｉｎｕｘ内核源代码非常复杂、庞大。但内核源代，无法分析和理解内核的全部代码码程序组织清晰有序／ｄｒｉｖｅｒｓ路径下，每个文件目录下对应实现特定的功能的代码，如３６［］－。是包含各个中设备驱动的程序代码。Ｌｉｎｕｘ２．６．３０内核目录结构如表５．２所示５－表．２Ｌｉｎｕｘ２．６．３０内核目录结构Ｔａｂ＾－．５．２ＴｈｅｃａｔａｌｏｇｕｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬｉｍ２．６．３０ｋｅｒｎｅｌ子目录描述说明／ａｒｃｈ包含与硬件结构有关的代码，如ａｒｍ架构、ｍｉｐｓ架构、ｐｏｗｅｒｐｃ架构等。／ｉｎｉｔ包含所有的初始化代码／ｄｒｉｖｅｒｓ包含所有的设备驱动程序，如块设备和字符设备等／ｆｓ包含文件系统有关的代码程序，如ｙａｆｆｅ文件系统、ｓｙｓｆｓ和ａｆｓ文件系统等ｊ／ｎｅｔ包含内核网络协议有关的程序，如ＩＰＶ４、ＩＰＶ６等／ｍｍ包含内存管理相关的代码／ｉｐｃ包含消息队列、内存共享和信号量等进程间通信的代码／ｋｅｒｎｅｌ包含所有内核相关的代码，此部分是与硬件结构无关的基本代码／ｉｎｃｌｕｄｅ包含所有的头文件目录（１）Ｌｉｎｕｘ内核源码的安装－４５－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现Ｔ－从Ｉ官网得到基于ＤＭ３７３０开发包的相关资料，下载得到Ｌｉｎｕｘ２．６．３０源码，该源码是ｔａｒ．ｚ格式，需要进行解压：ｇ，解压后才可以使用。使用如下命令解压缩内核－－－ｔａｒ．．ｘｖｆｌｉｎｕｘ２．６．３０ｔａｒｂｚ２／／解压缩Ｌｉｎｕｘ２．６．３０源码到当前文件夹ｊ（２）Ｌｉｎｕｘ内核的配置和编译解压后的源代码无法直接使用，需要进行配置。在Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件需修改两处代码：一二是要确定所用的ＣＰＵ类型，如本系统的ＣＰＵ类型是ＡＲＭ；是确定使用何种编译器。代码修改如下：＝ＡＲＣＨ：ａｒｍ／／确定本系统使用的是ＡＲＭ类型的ＣＰＵＣＲＯ＝－－ａ－ｘＳＳＣＯＭＰＩＬＥａｒｍｌｉｎｕｘ／／确定本系统所用的编译器是ｒｍｌｉｎｕ＿修改后即可进行代码的编译。执行命令ｍａｋｅｍｅｎｕｃｏｎｆｉ，进入内核配置主菜单，ｇ在此可以进行内核的裁剪工作。内核裁剪是根据所使用硬件环境，将不需要的接口代码裁剪掉，根据硬件电路多使用的设备类型，配置所使用部分的驱动代码。Ｌｉｎｕｘ内核可以裁剪到最小１９２ＫＢ。执行效率非常高。执行命令后出现如下图５．４所示的配置界面：■■■乂＇德Ｕ次媒，化３ＳＩｉｌｇａｄｅｔｓｕｏｒｔ愁ｇｐｐＤｅｂｕｉｎｍｅｓｓａｅｓＤＥＵＥｔＯＰＭＥＨＴｆｒ】ｇｇｇｇ（）ｄｅｂｕｉｎｉｎＦｏｆｎａｔｉｏｎｆｉｌｅｓ（ＤＥＵＥＬＱＰＮＥＨＴ）ｊ［ＪｇｇｇＤｅｂｕｉｎｉｎｆｏｒｎａｔｉｏｎｆｉｌｅｓｉｎｄｅｂｕｆｓＯＥＵＥＬＯＰＨＥＨＴ）１［］ｇｊ（ｆｇｇ２Ｍ＾ｘｏｗｅｒｕｓａ－ｉｒａｕｒｅＵＢＵＳＰｅ２５００ｍＰ（）ｇ（）｜＂ＵＳＢＰｅｒｉｈｅｒａｌＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｕｅｎｔｒａＨＤＲＣＵＳＢＰｅｒｉｈｅｒａｌＴＩｆｌＤｌ？．．ｐ（ｐ（，，））ｉ：＜Ｍ＞ＵＳＢＧａｄｔｆｉｒｉｕｅｒｓｇｅ｜＜＞Ｇａｄｇｅｔ２ｅｒｏＤＥＵＥＬＯＰＨＥＨＴｉ（）＜＞ｆｔｕｄｉｏＧａｄｇｅｔ（ＥＸＰＥＲＩＭＥＨＴｆｔＬ）｜＜Ｍ＞ＥｔｈｅｒｎｅｔＧａｄｅｔｗｉｔｈＣＤＣＥｔｈｅｒｎｅｔｓｕ｜ｇ（ｐｐｏｒｔ）＊ＲＨＤＩＳｓｕｐｐｏｒｔ［ｌ｜ＥｔｈｅｒｎｅｔＥｎｕｌａｔｉｏｎＨｏｄｅｌＥＥＭｕｐｐｏｒｔ［］（）ｓ＾＜ＧａｄｇｅｔＦｉｌｅｓｙｓｔｅｎＥＸＰＥＲＩＭＥＨＴｆｔＬ，｜（）｜ｌ＜Ｍ＞Ｆ－ｅｉｌｅｂａｃｋｄＳｔｏｒａｇｅＧａｄｇｅｔＩｆＭ—ＩＴＴｍＮ？謙顯腸陽ＪＸＵＵ？ＪＪ刚ｊ＜＞ＭｄｓｓＳｌｏｒ＾ｙｅＧａｄｇｅｔ＿｜＇＜＞ＳｅｒｉａｌＧａｄｇｅｔｔｈＣ＾ＣｆｉＣＭａｄＣＤＣＯＢＥＸｓｕｐｏｒｔ％（ｕｉｎｐ）峯：＜＞Ｍ３Ｄ１ＧａＯｇｅｌ（ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ）Ｉ｜＜＞ＰｒｉｎｔｅｒＧａｄｇｅｔ、ｉ｜；＞ｔ－ＤＣＣｏｎｏｓｉｔｅＤｃＭｉｃｅＥｔｔｅｒｎｅｔａｎｄｆｉＣＭｐ（ｉ））二、｜＜＞ＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎＣｏｎｏｓｉｔｅＧａｄｅｔ（ＥＸＰＥＲＩｉｉＥＮＴｆｌＬｐｇ）ｆ、』▲工心＼图５．４Ｌｉｎｕｘ内核配置界面Ｆｉｇ．５．４ＴｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｃｈａｒｔｏｆｔｈｅＬｉｎｕｘｋｅｒｎｅｌ＜Ｙ：＞＜Ｎ：＞配置选项时，，选择，则代表将该功能编译进内核表示此功能不编译进内核，＜Ｍ〉表示将该功能编译成独立的模块，用户需要时可以动态的加载到内核中。本设计中根据功能需要，需要配置如下功能：（１）配置ＣＰＵ平台选；－４６－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文（２）配置文件系统的支持；（３）配置ＮＦＳ文件系统的支持；（４）配置网卡驱动；（５）配置串口驱动；（６）配置ＵＳＢ口驱动；（７）配置ＲＴＣ实时时钟驱动；（８）配置键盘驱动；（９）配置ＬＣＤ驱动配置结束后按下图。５．５所示界面选择ＹＥＳ退出配置界面，配置完成后保存并退出．‘‘．．；、【呵ＤＯｏｕｗｉｓｈｔｏｓａｕｅｏｕｒｎｅｕｋｅｒｉｖｅｌｃｏｎｆｉｕｒａｔｉｏｎ？ｙｙｇ＇＜ＥＳＣ＞＜￡ＳＣ＞ｔｏｃｏｎｔｉｎｕｅ，ｊ＇，：ＵｐＴ，？－ｖｊ．＇Ｂ＜ＮＯ＞Ｉ３３？图５．５Ｌｉｎｕｘ内核配置结束保存界面Ｆ．５．ｉｇ５ＴｈｅｅｘｉｔｃｈａｒｔｏｆｔｈｅＬｉｎｕｘｋｅｒｎｅｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ执行命令：ｍａｋｅｕｌｍａｅｇ执行完该操作后ａｒｃｈ／ａｒｍ／ｂｏｏｔｌｍａｅ，此文，在目录中会生成ｕｇ文件件即内核镜像文件。５．ｓ．４４ＵＢＩｆ文件系统生成文件系统是操作系统的重要组成部分，内核启动后，紧接着要启动文件系统。文件系统负责管理和存储文件信息的软件机构，是保证系统正常工作的关键。在嵌入式系统中允许同时挂接两种不同的文件系统一，即通常所说的双系统。但是Ｌｉｎｕｘ启动时第，。个必须挂载的是根文件系统，之后可以自动或手动挂载其他的文件系统本系统中，基于ＤＭ３７３０处理器使用的是ＵＢＩｆｓ文件系统。ＵＢ一Ｉｆｓ文件系统是种新型的ｆｌａｓｈ文件系统，ＵＢＩｆｓ是ＵｎｓｏｒｔｅｄＢｌｏｃｋＩｍａｇｅｓｆｉｌｅｍ的－。ｎｕｘｒａｒｎｆｓｆｆ、ｓｙｓｔｅ缩写在Ｌｉ２．６．２７之前的版本，嵌入式文件系统基本采用的是ｃ、ｊｓ２ｙａｆｆｓ２这三种文件系统。这三种文件系统都是基于ｍｔｄ＋ｆｌａｓｈ设备的架构。ＵＢＩｆｓ与其他ｃ文件系统不同的是，ＵＢＩｆｓ是运行于ＲＡＷＦｌａｓｈ之上，而不是运行在ｂｌｏｋｄｅｖｉｃｅ之上的。‘ＵＢＩｆｓ内部涉及三个子系统：－－４－７ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现（１）ＭＴＤ子系统。该子系统提供对Ｆｌａｓｈ芯片的访问，提供了ＭＴＤｄｅｖｉｃｅ旳概念，ＭＴＤ可以认为是ＲａｗＦｌａｓｈ。２）ＵＢＩ子－（系统。该子系统为ｆｌａｓｈ设备提供ｅａｒｌｅｖｅｌｉｎｏｌｕｍｅｍａｎａｅｍｅｎｔｗｇ和ｖｇ功能。ＵＢＩ子系统工作在ＭＴＤ子系统之上，是ＭＴＤ设备的高层次表示。（３）ＵＢＩｆｓ文件系统。该系统工作于ＵＢＩ子系统之上。与ｊｆｓ２、ｙａｆｆｓ２等文件系统相比，ＵＢＩｆｓ文件系统的特性如下：①高度可扩展性：ＵＢＩＦＳｆｌａｓｈ尺寸有着Ｂ级对很好的扩展性，可以很好的适应Ｇ别的ｆｌａｓｈ；文件系统的挂载时间、Ｉ／Ｏ速度以及内存消耗都不依赖与ｆｌａｓｈ尺寸。．②快速挂载：文件系统与ＪＦＦＳ２文件系统不同，ＵＢＩＦＳ在挂载阶段不需要扫描整个文件系统，这使得该系统挂载介质的时间只有毫秒级。③支持ｗｒｉｅ－ｂａｃｋＪＦＦＳ２ＵＢＩＦＳｔ操作：同文件系统的立即写入内存相比，文件系统能够显著的提高文件系统的吞吐量。④高度可恢复性：ＵＢＩＦＳ文件系统可以在ｉｎｄｅｘ破坏后自我恢复。ＵＢＩＦＳ文件系统一一中的每片信息都有个ｈｅａｄｅｒ文件来描述，因此加载出错后ＵＢＩＦＳ可以通过扫描这３＿７３８ｆｌａｈ来［］个ｓ重构文件系统。ＵＢＩＦＳ文件系统的制作过程如下：ｃｄ／ｗｏｒｋ／／进入工作路径下－－－－－ｓｕｄｏ／ｔｏｏｌｓ／ｍｋｆｓ．ｕｂｉｆｓｒｒｏｏｔｆｓｍ２０４８ｅ１２９０２４ｃ１９９６ｏｕｂｉｆｓ．ｉｍｇ．／／执行编译命令、ｓｕｄｏ－－－－／ｔｏｏｌｓ／ｕｂｉｎｉｚｅｏｕｂｉ．ｉｍｇｍ２０４８ｐ１２８ＫｉＢｓ５１２／ｔｏｏｌｓ／ｕｂｉｎｉｚｅ．ｃｆｇ执行完以上操作后，当前目录下会生成所需的ｕｂＬｉｍｇ文件，该文件既是所要的文件系统。５．５软件系统调试软件部分调试工作包括底层的操作系统部分调试和上层的应用程序调试。底层的操作系统层是上层应用程序的基础，比部分工作不正常，则上层的应用程序也无法正常工作，本项目中作者仅负责底层操作系统层的调试工作，应用程序部分由软件人员负责编写调试。５．５．１基于Ｌｉｎｕｘ系统的应用程序调试基于Ｌｉｎｕｘ系统的应用程序调试不同与嵌入式单片机类软件的调试，无法利用仿真器尽心断电调试和单步跟踪，更多是利用串口打印信息进行调试。Ｌｉｕｎｘ内核空间使用－４８－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文ｐｒｉｎｔｋＯ函数打印调试信息，用户空间则使用ｐｒｉｎｔｆＯ函数打印调试信息。这是Ｌｉｎｕｘ软件调试的最基本方法。同时通过ｒｅａｄＯ函数、ｐｒｏｂｅＯ函数、ｗｒｉｔｅ（）函数、ｉｏｃｔｌ（）以及中断处理函数打印出必要的调试信息进行调试。Ｌｉｎｕｘ应用程序调试过程中更多的使用ｐｒｉｎｔｆＯ函数打印所调试信息，输出到串口控、制台中，根据打印的调试信息，包括函数返回值变量值和通讯帧数据包等，查找问题。所在，最终达到预期到的要求５．５．２以太网数据传输业务调试以太网接口测试分为功能测试和性能测试，通常需要专业的测试工具进行性能测试，如网络分析仪。功能测试通常是调试底层的驱动程序，即需要根据ＤＭ９０００Ａ的数据手册编写驱动程序。Ｌｉｎｕｘ系统由于是开放的操作系统，，任何人都可以添加和维护他因此Ｌｉｎｕｘ内核提供了大量的驱动程序，包括ＤＭ９０００Ａ驱动。因此本系统对网口的调试过程中，功能实现顺利通过，主要是进行性能调试。性能调试要进行压力测试和疲劳测试。使用Ｗｉｒｅｓｈａｒｋ软件对以太网口进行大数据长时间的发包测试，连续４８小时峰值测试结果良好，没有出现丢包和死机现象，工作良好可靠。５．６本章小结本章对智能抄表终端的软件系统设计进行了介绍。包括基于ＤＭ３７３０处理器的嵌入、－式Ｌｉｎｕｘ开发平台的搭建ＵＢｏｏｔ的移植、Ｌｉｎｕｘ内核的裁剪和根文件系统的制作。首先分析了Ｌｉｎｕｘ操作系统的特点，并分析了嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的启动过程详细阐；其次述了系统的开发环境的搭建过程，；最后着重介绍了系统启动代码的移植和编译过程详一－－细讲解了级启动文件Ｘｌｏａｄｅｒ的制作，Ｕｂｏｏｔ的制作，Ｌｉｎｕｘ内核和文件系统的制作过程。－４９－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现结论作者通过查阅大量有关基于ＧＰＲＳ的智能抄表终端的国内外文献，对智能抄表终端的工作原理一、系统组成以及功能和性能要求进行详细分析研究，设计了新代旳智能抄表终端。通过分析比较各种抄表终端的方案，，结合未来智能电网的发展需求确定了本文基于ＤＭ３７３０控制器的设计方案。该处理器卓越的性能，可靠地工作状态，保证了终。ＰＲＳ端工作的稳定性结合Ｇ模块，使用无线方式进行数据传输，节约成本，适合于各。个用电环境的应用．本文作者以硬件负责人的身份，参与设计了整个智能抄表终端的硬件系统结构，包括终端控制器的选定，产品方案的确定，外围配置芯片的选择和电路设计。对各个部分。，功能模块电路做了详细的描述，并附上原理图对硬件的ＰＣＢ设计做了详细分析对其中的关键点做重点分析描述，保证设计的电路板可靠工作。最后对目标板的系统启动做了详述，保证板卡正常启动。本项目目前仍处在首版的研发阶段，软件设计工作尚未完成，目前可以实现基本的抄表工作。作者参与的硬件工作提供了可靠地硬件产品，得到了项目组的好评。未来根据项目的要求，要进行产品化的设计，包括电路板的再版更新，要根据结构要求合理的设计ＰＣＢ的外形和接口位置，对各个模块的性能要求也要大幅提高。因此未来的工作依然依然存在挑战，作者将继续做深入的研究。由于作者的知识水平有限，论文中的内容若有疏漏之处，在此恳请各位专家、读者指正。－５０－ 大连理工大学专业学位硕士学位论文参考文献［１］范闻博，姚远，张其善．基于ＧＰＲＳ的数据采集远程网络监控系统［Ｊ］．无线电工程．２００４，３４－（１）．２１２４．［２］陈章潮，程浩忠，傅正财，刘东，辛洁晴．城市电网规划与改造（第二版ＫＭ］．中国电力出版社，２００７．－［３］陈卫兵，束慧．基于ＧＰＲＳ和电力线载波的远程抄表系统［Ｊ］．仪表技术，２００７（１１）：２１２２．４朱兆优：［］．ＲＳＡＳＳ总线在远程自动抄表系统中的应用［Ｊ］．东华理工学院学报２００５２８２１９２．，，（）［５］ＴＩ，Ｉｎｃ．ＡＭ／ＤＭ３７ＸＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＤｅｖｉｃｅＳｉｌｉｃｏｎＲｅｖｉｓｉｏｎ１．ｘＤＡＴＡＳＨＥＥＴＥＢ／ＯＬ２０－［］．［１００５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｔｉ．ｃｏｉｎ．［６］何晓彦，郭培源．基于Ｓ３Ｃ２４１０微处理器和ＧＳＭ远程抄表系统设计与实现［Ｊ］．北京工商大学２００８－学报（自然科学版）５４（２６）：５４８．，，［７］党世红，党宏社．基于ＧＰＲＳ的嵌入式远程自动抄表系统设计［Ｊ］．低压电器，２００８，（１８）；１６．［８］吕锦柏，黄梅，郑三立等．电力载波抄表系统中集中器的设计与实现［Ｊ］．电气应用，２００８，２－７２０：１０１３（）．－［９］覃．嵌入式系统设计从入门到精通基于Ｓ３Ｃ２４１０和ＬｉｎｕｘＤ，：北朝东ｌ］北京京航空航天大学－－－出版社，２００６：１８２０，６９７１，７９８０．［１０］韩晓萍．ＧＰＲＳ技术在电力远程抄表系统中的应用［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２００５，１９（４）：８－８４１．－－［１１］ＪｕＳａｎｇＬｅｅ，ＳｅｏｋＪｕｎ，ｅｔａｌ．ＤｅｖｅｌｏｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｔｅｒＲｅａｄｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＨｏｍｅｐｍｔ－－Ｕｉｌｉｔｙ．ＩＣＥＥ２００１（７）．２２２６．，２ＯＦＤＭ－［１］．．２００５１５０２０２６梅欣，吴蓉辉．在配电网高速数据通信中的应用［Ｊ］电力系统通信（）：．［１３］李旭．基于ＧＰＲＳ低压配电网路线损监测系统的研究与设计［Ｄ］．湖南大学，２００７．４一２００７５０５－［１］刘君．电力线宽带集中抄表和上网体化系统应用研究［Ｊ］．电力信息化．，（１）：３３９．［１５］刘杨．ＰＬＣ宽带集中抄表系统的设计与实现［Ｄ］．东北大学，２００７．－６ＭＩＣＲＯＮＩ－－［１］，ｎｃ．ＮＡＮＤＦｌａｓｈｗｉｔｈＬＰＤＲＡＭ１３７ＢａｌｌＭｕｌｔｉｐｌｅＣｈｉｐＰａｃｋａｇｅ－ＭＣＰＤＡＴＡＳＨＥＥＴＥＢ／ＯＬ．（）［］．［２０１２０８］ｈｔｔｉｃｒｏ，ｃｏｍ？ｐ：／／ｗｗｗ．ｍｎ［１７］周志敏，周纪海．开关电源实用技术与应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００３．［１８］ＴＩＩｎｃ．ＴＰＳ６５９３０／ＴＰＳ６５９２０ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＡｕｄｉｏＣｏｄｅｃ（ＴＰＳ６５９３０Ｏｎｌ），ｙ－［２００８０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ．ＣｈｅｎＹｉｎＺｈａｎＦｕ－ｈｏｎＡＵＨＦＲＦＤｒ１ＩＥＥＥ［１９］ｇｇｇ．ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｆｏｒＩｅａｄｅｒ．１ｔｈ，－ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．２００８，Ｐａｇｅ（ｓ）：３０１３０４．［２０］马少平，路志刚，孙雷等．基于ＡＲＭ的ＧＰＲＳ远程终端设计与实现．微计算机信息，２００６，２２－５１１１２０．（）：８－５１－ 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大连理工大学专业学位硕士学位论文附录Ａ附录内容名称＿５３－ 基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现攻读硕士学位期间发表学术论文情况－－５４ 大连理工大学专业学位硕位论文致谢本论文完成之际，首先要感谢我的导师对我的热情的帮助和悉心的指导。在课题的研究过程中，导师为我们指明了方向，提出了重要的指导意见。倾注了很多的精力。导师渊博的学识和诲人不倦的精神令人敬佩。在此对老师表示衷心的感谢。其次，要感谢项目组其他老师和同事的帮助和指导，。与他们并肩作战保证了项目顺利进行。感谢我的父母和家人，他们含辛药苦养育我至今，他们的关心和支持是我学习和前进的动力。最后感谢评审本论文的各位专家、教授，谢谢您们对本论文的提出的宝贵意见和指导。－５５－ 大脑工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间＿论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：基于ＧＰＲＳ的电能抄表终端设计与实现作者签名：、、．；多日期：月日＿＾￡［＾年＿＾？＾＿巧球＿‘导师签名：各‘日期：年月２日、、
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