前言

    辐射式测温仪表是目前冶金行业高温测量中应用广泛的一种仪表，主要应用于冶炼、铸造、轧制、热处理及耐火材料等生产工序中。物理学中，当任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电粒子的运动，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，但这种能量随温度变化按一定趋势变化。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。在测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体（不必与物体接触），即可测量运动物体的温度，而不会破坏物体的温度场。由于测温仪感温元件具有接收辐射能而不必达到被测物体温度的特性，从理论上讲测量的物理性是没有限制的，测量工序中高温是可行的。

    辐射式温度计由辐射感温器和显示仪表两部分组成，它用来测量400-2000 ℃的高温，近来随着红外技术的发展，测温的下限己达到常温区，大大扩展了辐射式测温方法的使用范围。

1 辐射式温度计的工作原理

1.1普朗克定律（单色辐射强度定律）

    物理学中，高于绝对零度的物体都具有与周围物体进行以辐射形式进行交换的能量。某物体一方面向周围辐射能量，另一方面又吸收来自周围其他物体的能量。辐射的能量或吸收的能量均是按波长分布的，波长的范围是0-∞。普通物体在某些波长或波段上辐射或吸收的能量多些，而在另一些波长或波段上少些甚至没有。为了便于研究，科学家假想出一种理想的物体—黑体，设想其在所有波段上都向外界辐射能量和吸收来自外界的能量。黑体向外界发射的能量W（λ,Τ）,D符合普朗克公式，见式（1）：

 ………………………………（1）

    黑体辐射有如下特性：
    ①总的辐射出射度W（λ_T）是随温度的升高而迅速增加的，温度越高则光谱辐射出射度越大。
    ②当温度一定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化，曲线有一个极大值λ_m，当波长小于λ_m时，辐射出射度随波长增加而增加；当波长大于λ_m时，变化规律相反。
    ③当温度在高温波段增加时，光谱辐射出射度的峰值波长会向短波方向移动。

    有了黑体的名称，其他物体就称为非黑体了。由于现实的被测物体不是黑体，因此按黑体的辐射公式制作的辐射类温度计，在测量实际物体的温度时，就存在一个修正问题，通常称为发射率ε（λ,Τ）修正。这是这类温度计的一个先天不足地方。实际上物体的发射率ε（λ,Τ）不但与波长λ和温度T有关，而且还与被测物体的表面状态有关，如粗糙度。

1.2 斯蒂芬-玻耳兹曼定律

    也称为：全辐射强度定律、四次方定律。该定律指出：温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比，见式（2）

 ………………………（2） 

    上式（2）就是辐射温度计测温的理论根据。全辐射强度定理是单色辐射强度定理在全波长内积分的结果。

2 辐射式温度计的分类及特点分析

2.1 辐射式温度计的分类
① 按温度计所用的波段数量来分类，可分成单波段温度计、双波段温度计和多波段温度计。
② 按波段的宽窄分类，可分成宽波段温度计和窄波段温度计。
③ 按所用波段在光谱中位置分类，可分成短波温度计和长波温度计。
④ 按可测温度的高低分类，可分成高温温度计和低温温度计。
⑤ 按被测目标的几何子分类，可分成点温度计、面温度计。

    每一种分类，除和测温计的结构及所选用的元器件有关外，都和使用现场有关；现场的安装、使用如有不当，必定影响生产工序测温参数的精度。对用户而言，按不同分类方法选用适用的测温计是达到生产工序测温预期目的的首要前提。

2.2 单波段温度计

    这种测温计的优点是容易做到根据被测对象的光谱特征确定温度计的工作波段，以取得预期结果。例如玻璃在可见光的波段内是透明的，发射率近于1非常接近黑体，这时选用4.8-5.6 μm波段作温度计的工作波段，温度测量精度非常高。而在测量一般不透明物体如钢板的情况下，选用工作波段处于短波的温度计较好。

    一般的不透明物体的发射率ε（λ,Τ）不为1，且随波长有明显地变动，若操作者不知道发射率的具体数值，而人为凭经验也只能将发射率进行部分修正，但对影响测量结果的发射率的波动部分，尤其是随温度变化的部分是难以修正的。一般说来，发射率及其变化对短波温度计测温精度的影响小，对长波温度计的影响大。

2.3 双波段温度计

    这种温度计是利用两个波段上的信号之比值与被测温度的函数关系进行测温的，见式（3）:

 ………………………………（3）

    式中V₁和V₂分别是第一波段和第二波段产生的信号。从式中可以看出这种温度计的特点：当两个波段上的信号同时增加或缩小相同信号数时，比值V₁/V₂不变，进而温度计测得的温度值不变。

    这种温度计的应用场合是：有完全不透明的低温固体颗粒遮档被测目标的现场。因完全不透明的低温颗粒造成V₁和V₂以相同比例衰减，所以温度计的示值不变。这是单波温度计做不到的。但当遮挡目标的颗粒是对波长有选择性的，即对V₁和V₂不是等比例衰减时，所造成的测温误差将比单波温度计大得多。

3 辐射温度计的温度修正

    被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。对于辐射温度计，它是以绝对黑体的辐射为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。辐射温度的定义为：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能，此时黑体之温度即为非黑体的辐射温度。辐射高温计测量的温度称为辐射温度TF，根据全辐射强度定理，总辐射能相等，见式（4）： 

…………………………………（4） 

    因为非黑体ε_T＜1，则TF＜T。因此用辐射温度计测出的温度要比物体真实温度低。

    在不同的使用环境，黑度系数的设置直接影响了测量温度的准确性，是个参考值。随着现场环境的不同、介质分布的变化，辐射式测温仪的测量值波动较大。一般来讲，测量钢板时系数范围为0.7-0.85，而测量铝制品一般在0.3-0.6左右。

4 冶金生产中测量误差存在的原因及其对策

    辐射测温计本身在信号变换与处理过程中不可避免地有机械振动、温度变化和电磁等方面的干扰。在被测目标的辐射进入辐射温度计之前各种干扰己经实际存在，这些干扰通常为光路中的干扰、外来光干扰和发射率的干扰等。

    原因一:如在钢板生产过程中，为了轧制机械不粘连、钢板除鳞等，被测目标表面上停留有水膜，在被测目标表面附近还经常存在着浓度经常变化的水蒸汽等吸收性气体。这些气体介质在光路中对来自被测钢板有辐射能有选择性的吸收，减弱了入射到温度计中的辐射能，造成测量误差。

    解决方法:光路中存在有水蒸汽和水膜时，在短波段测量可减小测量误差，同时引用压缩空气吹散水膜，用仪表风清洗光路都是有效的。

    原因二:生产现场空气中悬浮很多尘埃，这些尘埃对辐射能的吸收是没有选择性的，并常伴随有漫射，减弱了入射到温度计中的辐射能，造成测量误差。

    解决方法:增设空气流通、洁净装置，并保持作业环境整洁使测量环境友好。

    原因三:外来光的干扰（指从其它光源主射到被测表面上并且被反射出来，混入测量光的成分）。在测量钢板表面温度时，由于白昼光的干扰造成反射，形成测量误差。

    解决方法:安装测温仪时要避开阳光和环境照明光的反射位置和角度。对于一些固定的难以避免的光源，应设置遮蔽装置。

    原因四:物体的发射率不仅与温度、波长有关，而且即使是同一种物质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关。

    解决方法:改进生产工艺，努力提高测量目标的粗糙度、减少测量目标的锈蚀程度、减少测量目标的氧化状况。

5 热轧钢板表面温度的测量

    钢坯从加热炉口被推出，经过粗轧的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在矫直机的入口和出口，按工艺要求都需设有温度测量点，作为轧钢工序的关键操作点来测量钢板的表面温度。热轧工序对温度测量有如下计量要求：

    ①由于轧制速度快，需选择响应速度快的辐射温度计；

    ②在整个轧制过程中，最初从加热炉出来的钢坯到矫直机后，被轧制测量目标的温度测量范围一般为500℃-1300℃（高低端温差大）。

    ③由于轧制和冷却多次反复进行，钢板表面的黑度和周围水蒸浓度都有一定的变化。要求高低端测量误差相近。

    ④带钢表面某些局部经常有水膜且水膜的大小和附着点变化无常，并常有鳞片状的锈、垢和灰尘等附着在钢板表面上。要求测温仪有适宜得当的修正。

    因此在选用辐射温度计时应考虑到以上被测目标环境特点和计量要求。经过工作原理比较和实际使用筛选比对，硅光电池光电高温计具有响应速度快，工作波长短（1μm左右），能躲过水蒸汽主要吸收峰，在1μm以下水膜透过率高等特点，选择硅光电池光电高温计测量轧制工序被测目标表面温度比较适宜。

6 小结

    辐射温度计是一种非接触式测量仪表，其工作原理是根据全辐射强度定理即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行温度测量的仪表。为在轧制工序现场高温环境下达到计量要求，在辐射感温器外加装水冷夹套是个好办法。目前这类温度计的主要难题是还没有找到从本质上消除发射率和环境介质影响测温精度的更有效仪表型式和技术措施，有待继续探索。

关键词：CAN总线；调度；网络控制

1 引言

    网络控制系统（NCS）又称网络化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统。对网络控制系统来说，由于系统中的信息源较多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络的承载能力和通信带宽有限，从而使得信息在传输过程中不可避免地存在时延，并且该时延可能是固定的、时变的，甚至是随机的。从控制的角度来看，这种时延会使系统的分析与设计变得更加复杂。解决网络延时问题有两种途径：一是设计控制算法时充分考虑网络延时的影响，这是控制器设计问题；二是在不考虑延时的情况下设计控制器，依靠改进调度算法保证信息传输的实时性，确保控制系统的稳定和性能，这属于信息调度问题。

    本文以CAN总线为研究对象，经过对网络可调度性和调度算法的分析，提出了一种改进的混合调度算法（MTS），并利用TrueTime网络控制工具箱进行网络控制系统的仿真，分析调度算法对控制系统性能的影响，取得了较理想的效果。

2 调度算法

    传统的计算机控制理论假设对象输出为等距采样，即周期性地在kT_m时刻进行采样，其中T_m为采样周期。这样的假设可以得到线性时不变数据采样系统，并可大大简化对系统稳定性等性能的分析。然而，由于网络传输延时及其不确定性的存在，等距采样在NCS中不一定能得到保证。对于NCS，一般要求满足的主要指标之一是延时的限定，即信息必须在限定的时间内成功地被传送，信息传输的时间特性必须满足系统的实时性要求。网络调度主要集中在一个节点多久可以传送一次信息，以及传输信息的优先级。判断网络传输是否满足该主要指标的过程及传输的保证叫可调度性分析。

2．1 可调度性分析

    信息的最糟糕响应时间即最长等待时间是可调度与否的一个重要参数，它定义为从信息进入发送节点的传输队列到被目标节点正确接收所需的最长时间。对任意一条信息S_m，它的最长等待时间R_m:
       （1）
    其中 J_m——信息S_m的扰动时间，即信息被排队的最早和最晚时间差；
        I_m——信息S_m的等待延迟时间；
        C_m——信息S_m的传送时间。
    要保障CAN总线信息传输的实时性，一条进入传输队列的信息必须在下一条信息到来之前发送出，如果信息未及时传送出去，会被下一条信息所覆盖。因此，信息的传送必须满足
       （2）
    其中D_m为信息的截止期，表示信息从产生到被正确接收的最大允许时间。
如果每一条信息都满足了此条件，我们就说网络是可调度的，网络调度算法选择的目的是保证网络的可调度性。

2．2 基本调度算法

    CAN总线利用数据帧中的标识符表示信息的来源和优先级。标识符既可以静态设定，也可以动态设定，即利用标识符可以实现静态或者动态的信息优先级。在满足可调度性的实时调度算法中，目前常用的是优先级驱动的实时调度算法，它可分为静态优先级调度算法和动态优先级调度算法。在静态优先级调度算法中，任务调度的优先级在调度过程中固定不变，如固定优先级调度算法（FP）和单调速率算法（RM）。RM根据信息的周期分配信息的优先级，信息的周期越小，则优先级越高。在动态优先级调度算法中，任务调度的优先级随各控制任务的执行时间或截止时间动态变化，任务优先级不仅仅与任务自身有关系，而且与系统中其他任务有关，如最早时间限优先算法（EDF）和截止期单调算法（DM）。DM根据信息的截止期分配信息的优先级，信息的截止期越小，则优先级越高。

2．3 改进的混合调度算法的提出

    根据动态优先级调度具有高利用率的特性，文献[6]提出按照任务的绝对截止期为信息分配标识号，并设计出一种混合调度算法（MTS）。MTS算法是一种介于静态优先级调度算法和动态优先级调度算法之间的折中算法。MTS算法的核心思想是将信息的绝对截止时间编入标识符中，充分利用信息的标识符反映信息截止期的变化，对高优先级的信息使用EDF算法，对低优先级的信息使用FP算法。由于在CAN总线中每个信息必须有唯一的标识号，MTS把标识号分成优先级域、截止期域、节点域三个域，使标识号既反映截止期的变化，又能保证唯一性。在一个典型的系统中，由于截止期随着时钟的改变而改变，因此所有信息截止期域的内容应该及时更新，而且还要与时钟同步。为了解决上述问题，MTS算法采用分布式时钟同步算法，并把时间分为几个区间，根据截止期所在的时间区间进行截止期域内容的编码。

    然而，对于由多台电动机组成的多处理器网络控制系统，由于处理器的增多，以及一个采样周期内需要利用网络传送信息的节点增多，延时增大，这时一般的MTS算法并不适用。为提高网络控制系统的实时性，这里对MTS算法进行改进。设原采样周期为T_m ，令
       （3）
    其中N为大于1的自然数，以T_N为周期进行采样，然而在每n次采样中仅有一次采样数据被通过网络发送。设在从t₀开始的一个采样周期内， 时刻为采样时刻，在任意一个采样时刻进行采样的数据被成功发送，则在时刻将不再采样。在经过这样的改进后，网络延时仍然存在，但信息的截止期D_m大大减小。信息传送的等待时间如果超过截止期，数据将被抛弃，并重新采集数据等待发送，从而提高网络控制系统的实时性。由于在一个周期内最多进行N次采样，因此处理器的处理速度需要相应提高，单片微处理器速度的大幅度提高及数字信号处理器的出现解决了这一问题。

3 基于CAN总线的网络控制系统仿真

    TrueTime工具箱是Dan Henriksson和Anton Cervin等学者开发的一种基于Matlab的网络控制仿真工具箱，它为网络控制系统的研究提供了很好的研究工具。

3．1 网络控制系统仿真平台的构建

    利用TrueTime工具箱，构建由一台计算机通过CAN总线控制四台直流电动机的多处理器网络控制仿真系统，分析调度算法对控制性能的影响，仿真原理图如图1所示。
 

图1  网络控制系统仿真原理图

被控直流电动机用以下的传递函数表示：
        （4）
    在普通PID数字控制器中引入积分环节的目的主要是为了消除静差、提高精度，但在电机启动或停止时，会造成PID运算的积分积累，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的震荡，所以实际应用中宜采用积分分离PID控制算法。
设在偏差绝对值不小于某设定值 （偏差比较大）时采用PD算法，即

    其中， y（k）为当前周期的输出值， y（k-1）为上一周期的输出值，r（k），u（k）分别为给定值和控制器的输出值，T_d=0.035s， K=1.5， ε=0.1，定义传感器的采样周期T_m=10ms，数据计算、传感器数据采集和执行器的动作所产生的时间延时均为0.1ms。

    在偏差绝对值小于设定值 ε（偏差比较小）时采用PID算法，即在PD算法的基础上加入积分环节：

    其中积分时间常数T_i=0.15，I（k），I（k-1）分别为当前周期和前一周期的积分分量，在引进积分分离PID控制算法前后，网络控制系统的控制效果如图2所示。
 

图2 积分分离PID控制算法效果图

    由图可见，采用一般PID控制算法时超调量超过45%，采用积分分离PID控制算法时超调量不超过5%，采用积分分离PID控制算法使得控制系统的动态性能有了很大改善。

3．2 仿真结果

    以建立的网络控制系统仿真平台为基础，进行网络控制系统的仿真，研究网络调度对控制系统性能的影响。设定CAN总线的波特率为250Kbps，丢包率为0，使用一般的混合调度算法（MTS）进行仿真，其仿真结果如图3所示。图3（a）是四个控制子系统的方波响应，图3（b）是从网络调度（Schedule）窗口所看到的前三个采样周期的网络调度状况。
                             

图3 应用混合调度算法时的仿真结果

    由图3（a）可知，由于网络延时较大，其中两个控制子系统的动态响应较差，超调量超过14%，调节时间超过0.2s。在图3（b）网络调度状况图中，纵坐标表示节点号。根据CAN协议，节点号较小的节点具有较高的优先级，控制器节点1具有最高的优先级，传感器节点9具有最低的优先级。节点7、节点9的网络等待延时都较大（超过2ms），这是造成其中两个控制子系统动态性能较差的原因。随着网络节点的增多，最低优先级节点所在的控制子系统的动态性能会变得更差。

    用本文所提出的改进的混合调度算法进行仿真，仅修改调度算法，其他条件不变，取 即 ，方波输入时的四个控制子系统响应及网络调度状况如图4所示。
     

图4 应用改进的混合调度算法时的仿真结果

    由图4（a）可知，当用改进的混合调度算法进行网络控制系统的仿真时，超调量不超过5%，调节时间不超过0.13s，无静差。网络调度窗口的网络状况图4（b）表明，网络冲突还会出现，但网络延时较小。节点7和节点9的信息传输时刻和MTS算法相同，但是前两次的采样数据都由于时延太长而被抛弃，只有第三次的采样数据被成功传送。即使再增加节点，传感器节点的网络传输等待时延不超过1ms，比一般MTS算法大大减小。

4 结论

    本文作者创新点：本文提出了一种改进的混合调度算法，在不改变实际采样周期的情况下减少了网络控制的时延，建立了基于CAN总线的多节点网络控制系统仿真平台，仿真结果证明了该算法在信息调度中的有效性。网络控制系统的信息调度算法对系统的实时性有着重要影响，设计合适的调度算法能够将网络传输延时限制在一定的范围内，本文仅在特定条件下对网络调度算法进行改进，对于适合各种条件的通用的信息调度算法需要进一步研究。

关键字：现场总线；Lonworks；数据采集

1 概述

　　集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）已经发展到相当成熟的地步,但是他们仍然存在着缺陷和不足。因此需要建立具有良好的柔性、系统重构能力、容错能力和快速反应性的网络化测控系统。分布式人工智能技术（DAI）, Agent理论、现场总线与单总线的集成技术为设计和实现这种系统提供了一条切实有效的途径。

　　基于此点出发,本章提出一种基于总线技术的智能化数据采集系统。在该系统中,每个测控单元都被构造成具有自主性和自适应能力的Agent,通过多个Agent之间的协同工作来提高整个系统的可靠性、稳定性和工作效率。这样该现场总线测控系统就具有了信息感知、分布性、并发性、主动性和自适应性的特性。

　　近来,Agent技术己被认为是进行分布式工业系统建模的一种重要方法,是设计与实施分布式智能测控环境的最自然的手段,是构建下一代测控系统的重要技术之一。

2 系统的多Agent模型

　　该系统主要由系统管理Agent、控制Agent和感知与执行Agent三部分组成,它们都是具有独立工作能力的自治体或半自治体,通过协作完成系统分配给它或它们的任务,构成一个具有并发性与分布性的MAS （Multi-Agent System）系统。事实上,对于MAS环境下的检测监控系统应是一种具有敏捷性的多Agent系统,由于任务的不同分解与分配以及其它不可预测因素的出现,使得这种多Agent体系能够随时改变组织配置,实现系统的重构,而一旦任务结束,临时组建的系统则立即解散。基于上述思想,图1从系统的组成结构和通信方式定义了该分布式的系统模型。在此系统中,管理Agent是一个综合状态识别系统,它完成对系统总体运行状态的监控,提供对各监控对象的实时监测、评价与决策功能。

图1系统的结构图

　　控制Agent和感知与执行Agent为具有自主性和自适应能力的Agent,但它们之间并没有严格的一一对应关系,而是由管理Agent根据任务的需要临时召集组成动态的节点Agent。其中,感知与执行Agent是运行在控制现场的智能设备,是管理Agent在执行任务时信息的主要来源,也是Agent感知能力的基本体现。它们负责现场信号的采集和预处理,提取传感器信号的特征形成监控变量,并确定信号发往何处。同时该Agent接收来自控制Agent的指令,转化为与现场设备匹配的开关量和模拟量输出;控制Agent是系统的核心部件,具有自主决策的能力。此外,在这种多Agent系统中,任务的来源是多方面的。既可以是来自某一控制层次的命令,也可以是来自另一多Agent体系中管理Agent的协作请求。

3 系统工作过程

　　正常情况下,系统的工作过程如图2所示。

　　
图2系统工作原理图

　　当来自任务源的任务传给管理Agent以后,任务处理模块首先对任务进行分解,然后通过知识库查询其所管理的控制Agent能否完成分解后的所有子任务。如果能够完成则进行任务分配并启动系统;如果不能完成则放弃任务的执行并通知任务源。系统启动后,控制Agent召集相关的感知与执行Agent处理分配给自己的任务,并通过自身的交互机制实现与其它控制Agent的协作以及信息和资源的共享。当某个控制Agent发生故障时,管理Agent的监控模块首先根据检测到的故障信息做出相应的诊断决策,然后通知任务处理模块将该控制Agent的控制权限转交给其它控制Agent或者进行任务的重新分配,从而使整个系统仍能正常运行。这样就实现了依靠各Agent之间的协作来提高整个系统的可靠性,而不是通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余。

4 系统的硬件结构

　　本文采用现场总线作为系统的通信平台,构建一个开放的,具有互操作性的实时现场总线数据采集系统。实现该测控系统的具体方案如下：

　　考虑到系统降低成本的要求,结合现有总线控制系统的特点,作者利用现场测控设备、Lonworks节点和其网络设备组成现场测控网络。在此,我们只要在设计每个Agent的时候,给每个模块加上Neuron芯片,通信线路只需普通的双绞线即可,这样便可以实现各Agent之间的任意通信。同时以单片机系统作为硬件支撑,用MCS51语言作为软件开发工具,使其与新型传感器和执行机构构成相应的智能Agent。主要完成对测控对象的基本控制,通过临时的现场节点采集所需要的监控信息,进行感知处理,并通过总线传到管理Agent进行总体数据分析、处理和故障诊断。动态节点Agent之间遵循Lontalk协议,采用网络变量实现各节点的连接。节点间的数据通信采用窗口协议以显示报文进行数据传输,并通过网络变量来管理,这样就实现了节点Agent间的相互操作,并采用类KQML的通讯模式实现Agent间的信息和知识的共享。

　　4.1控制Agent

　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法,并根据任务需要与其它Agent组成动态的多Agent合作系统。控制Agent所需要的控制命令和数据均通过Lon总线传输。控制Agent只带有Lonworks接口芯片和外部扩展EZPROM,并无任何其它外设。

　　本文采用神经元芯片TMP3150与AT89c51单片机连接构成Lon总线接口电路,二者之间采用并行通讯方式。单片机AT89c51的P0口与3150的IO0～IO7,相连作为8位的数据总线;AT89c51的P3.2与3150的IO8相连,作为单片机请求发送数据的信号线和接收3150控制命令的应答线;P3.3与IO9相连,作为神经元芯片接收数据的应答信号线;P3.4与I010。相连,用作3150发送控制命令的信号线。这样选取P3.2和P3.3。作握手信号,保证了单片机与3150的严格同步。同时,为了避免系统受到干扰时死机,在单片机每次等待应答信号时都加入了一个延时。若延时结束还未收到应答信号,那么单片机就跳到初始状态。该Agent的电路原理如图3所示：

图3 控制原理图

　　4.2感知与执行Agent

　　该Agent不仅能完成信号的采集,而且能对传感器信号进行预处理,提取传感器信号的特征形成监控变量,并通过Lonworks接口传送给控制Agent。同时它也是控制器节点的信号输出接口,负责从控制Agent接收控制指令,并转化为与现场设备匹配的控制量或开关量输出。

　　为了实现对现场数据的直接采集,作者采用新型单总线数字温度传感器作为现场测量设备。单总线数字传感器在测量中无需进行通道切换、A/D转换和结果修正,而且能够直接输出数字信号,从而使系统的结构更趋于简单,可靠性更高。同时,采用TMP3150构建Lon总线接口电路。电路原理如图4所示：

图4感知与执行Agent原理图

5 小结

　　本文设计的基于Lonworks总线技术的智能数据采集系统具有以下优点：

　　（1） 不同于现有控制系统通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余来提高整个系统的可靠性的做法,依靠各个智能Agent之间的合作来提高可靠性。

　　（2） 整个控制系统在处理系统故障等异常突发事件方面具有智能性。

　　（3） 系统的性能如可靠性和快速性可以具有很好的扩展性。

1、帆船姿态仪的系统设计 

    基于PIC16F877A设计的帆船姿态仪，能采集帆船行驶过程中的前后仰俯角、左右摇摆角、桅杆旋转角和GPS系统记录帆船行驶轨迹。系统每0.5s将采集到的数据记录1次，记录时间大约为5 h（小时）。上位机通过RS232接口，可将存储的数据读取上来。上位机可以形象地将帆船行驶轨迹、帆船前后仰俯角、左右摇摆角等数据显示出来。它的系统结构框图如图1所示。 

2、帆船姿态仪的硬件设计 

    PIC16F877A单片机作为处理器，通过采集倾角传感器SCA60C检测帆船的倾斜角度，然后将检测到的数据存储到AT45D081A-RI大容量Flash存储器中。其部分硬件电路如图2所示。 

    DS1302时钟芯片记录测控系统中的数据，并在记录时进行时间标定。其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性。DS1302与CPU的连接仅需要3条线，即SCLK、I／O、RST。DS1302与单片机连接的电路原理如图2所示。 

    采用双电源供电方式，以便在没有主电源的情况下仍能保存时间信息以及数据。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电，当VCC2小于VCC1时，VCC1给DS1302供电。 

    AT45D081A-RI是Atmel公司生产的大容量Flash存储器，容量为4 Mb。它采用串行方式传送数据，单5V电源供电；具有功耗低、体积小、容量大、传送快，与CMOS和TTL电平兼容以及掉电后数据不丢失等特点，因此，其硬件设计与软件编程都很容易。 

    系统通过RS232C通信方式与上位机通信，将帆船在海中行进的姿态传送到上位机，最后由上位机软件管理和显示。 

3、倾角传感器的选取 

    系统采用上海朗尚科贸有限公司的SCA60C高精度倾角传感器检测帆船的倾斜角度，通过不同的安装方式检测帆船前后仰俯角和左右摇摆角。SCA60C实际上是一个加速度计，内部由一个硅微传感器和信号处理芯片组成；SMD形式封装；通过测量地球引力在测量方向上的分量，再将其转换为倾斜角度，其模拟输出特性如图3所示。箭头标明了加速度的正方向，如果帆船沿箭头所指方向有加速度，或按图3所示的方向倾斜，则输出值增大。 

    其中，Offset是帆船在0 g位置时的电压输出（一般输出值为2.5 V），Sensitivity是设备的灵敏度（通常灵敏度为2 V／g）。为得到最好的精确度，应当用实际输出值代替通常值。

4、上位机软件设计 

    采用Delphi软件设计帆船姿态仪的上位机，将帆船姿态仪采集存储的数据通过串口读取上来，利用上位机软件对读取上来的数据进行管理，并以曲线的形式形象地显示出来，教练员可以在上位机上了解运动员训练的具体情况。软件界面如图4所示。 

结 语 

    帆船姿态仪安装调试简单，技术先进，功能丰富，维护方便，可帮助帆船运动员进行科学的训练，迎接2008年北京奥运会。

    我国无线传感网的研究与国际上相比具有同发优势、同等水平，在研究、应用及标准化等方面与国际先进水平基本同步。传感器网络已经成为我国信息领域少数位于世界前列的方向之一。
     
    我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年，中科院适时抓住机遇，成立了微系统研究与发展中心，挂靠在中科院上海微系统所，成员单位包括声学所、微电子所、研究生院等十余家研究所和高校，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。上海市科委在早期就大量部署了传感器网络的课题，为上海市走在传感网领域的前列奠定了重要基础，在其领导下，中科院上海微系统所还牵头组建了传感网产学研上海联盟。
     
    另外，我国哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等高校在国内也较早开展了传感器网络的研究，目前绝大多数工科院校都已经开展了有关无线传感器网络方面的研究工作，一些高科技企业，如中国移动、华为、中兴、诺基亚、阿尔卡特等大型企业，也加入了研究行列。
     
    上海微系统与信息技术研究所科技人员在前期关键技术攻关及应用研究的基础上，又提出了无线传感网三层体系构架，并沿此框架路线进行研究，得到了众多用户、国家相关顶层规划及标准化的认可；该所从2002年开始，积极推进协同感知传感器网络的研究，创造性地提出面向任务的协同处理列算法，确立起传感器网络协同处理体系构架；提出传感器网络的信息聚合、协同感知、泛在网三阶段的演进路线图，并得到国家相关顶层规划认可；通过与行业、公众用户长期交流，提出了基础平台和应用子集的传感器网络标准化参考模型，被国家相关顶层规划认可并采纳；与中国移动联合提出传感器网络与移动通信网络的“三步走”融合方案等等。
     
    “我国传感器网络研究没有盲目地跟从国外发展路线，而是形成了以应用为牵引的研究特色。”封松林在接受记者采访时说。以中科院为代表的我国传感网的研究，面向国家重大战略和应用需求，开展了无线传感网基础前沿、关键技术、应用开发、系统集成和测试评估技术等方面的研究。中科院上海微系统与信息技术研究所经过近十年的努力，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面均取得了重大进展。
     
    “5·12”汶川地震灾害发生后，当地通讯系统几乎完全瘫痪。中科院微系统所使用部分无线传感网技术，在没有固网和移动网的情况下独立工作，使指挥所能够实时了解灾情和救灾现场的状况，极大地提高了一线救灾单位的统筹沟通效率、信息获取速度和对外联络宣传的效果；之后又在唐家山大坝及堰塞湖沿线布设了14个视频监测点，用于全天候、24小时实时监控唐家山堰塞湖水文资料和坝体变化等情况。所提供的视频监控画面不但实时传输给位于绵阳的指挥中心，还为国家及相关部省领导提供了50多路远程监测视频信息，为相关领导关心和了解现场情况、科学指导救灾提供了第一手的实时资料。

    由中科院嘉兴中心微系统所分中心研制的双向TDD-OFDM多用户高速移动中程多媒体传感器网络在上海市得到规模性应用，彻底改变了传统的基于COFDM的单向单用户移动视频传输的局面，已在上海市布设了18个基站，实现了高分辨率图像、语音、传感器数据等的高速移动组网传输，成为上海市公安局应急指挥的重要平台。
     
    在六国峰会、特奥会中，成功应用于胡锦涛等党和国家领导人车队的全程跟踪保卫，受到公安部、安全部、武警总部、中央警卫局等部委领导的高度肯定。近期在奥运火炬接力上海段传递中得到成功应用，解决了卫星“动中通”在上海市复杂城区无法实现无缝实时图传的问题。
     
    浦东机场传感器网络防入侵系统实现了对入侵目标的探测识别、目标定位、轨迹跟踪、设施设备破坏盗窃、智能视频复核等功能要求的全天时、全天候的入侵报警，符合民航总局的要求，经受住了今年年初南方雪灾的综合考验，建设完成至今未发生漏警、误警，得到了用户的高度评价。
     
    由于历史上的原因，我国在大多数传统信息技术领域，已经失去了左右国际标准的机会。无线传感器网络产业的兴起，给我国提供了参与国际重新洗牌的机会。目前我国的信息产业存在着本土企业掌握的核心专利相对不足、受制于人的问题。2007年底，ISO/IEC JTC1委员会专门成立了无线传感网标准化工作组。经国标委批准，在全国信标委下组建了传感器网络工作组，秘书处挂靠单位为中科院上海微系统所。全国数十家成员单位通力合作，不仅共同参与国家传感器网络标准的制定，同时代表我国参加国际标准化组织ISO/IEC联合的传感网标准化工作组。
     
    “在国际标准还没有出来之前，国家应该在产业政策和科技项目等方面给予积极扶持，这样才能使得这项新技术在我国发展壮大。”封松林呼吁。

关键词：嵌入式最小系统; ARM; 接口方式; 启动架构

1. 引言

　　随着嵌入式相关技术的迅速发展，嵌入式系统的功能越来越强大，应用接口更加丰富，根据实际应用的需要设计出特定的嵌入式最小系统和应用系统，是嵌入式系统设计的关键。目前在嵌入式系统开发的过程中，开发者往往把大量精力投入到嵌入式微处理器MPU（Micro Processing Unit）与众多外设的连接方式以及应用代码的开发之中，而忽视了对嵌入式系统最基本、最核心部分的研究。

　　当前在嵌入式领域中，ARM（Advanced RISC Machines）处理器被广泛应用于各种嵌入式设备中。由于ARM嵌入式体系结构类似并且具有通用的外围电路，同时ARM内核的嵌入式最小系统的设计原则及方法基本相同，这使得对嵌入式最小系统的研究在整个系统的开发中具有着至关重要的意义。本文以基于ARM的嵌入式最小系统为平台，从硬件和软件两方面对嵌入式最小系统的架构进行了研究，硬件方面主要介绍了ARM处理器与典型外部存储器的接口技术，软件方面重点就嵌入式最小系统的启动架构做了详细分析。

2. 嵌入式最小系统

　　嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。

图 1 最小系统构成

　　● 时钟模块——通常经ARM内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入

　　● Flash存储模块——存放启动代码、操作系统和用户应用程序代码

　　● SDRAM模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域

　　● JTAG模块——实现对程序代码的下载和调试

　　● UART模块——实现对调试信息的终端显示

　　● 复位模块——实现对系统的复位

3. 外存储器接口技术

　　ARM处理器与外部存储器（Flash和SDRAM）的接口技术是嵌入式最小系统硬件设计的关键。根据需要选择合理的接口方式，可以有效的提升嵌入式系统的整体性能。

　　3.1常用外存储器简介

　　（1）Nor Flash与Nand Flash

　　Nor Flash也称为线性Flash，可靠性高、随机读取速度快，具有芯片内执行（XIP， eXecute In Place）的特点，这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。常用在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合。

　　Nand Flash则是高数据存储密度的理想解决方案,一般用于数据存储和文件存储,以块为单位进行擦除，具有擦除速度快的优点。

　　（2）同步动态存储器SDRAM

　　SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）是在早期DRAM的基础上改进而来的，它是同步内存，并在接口信号中引入了CLK信号，所有数据、地址和控制信号都是和CLK上升沿对齐的。此外SDRAM还在内部引入了一个命令控制器，处理器访问SDRAM都是通过向命令控制器发送命令来实现的。

　　3.2 ARM处理器与Flash接口技术

　　3.2.1ARM处理器与Nor Flash接口技术

　　Nor Flash 带有SRAM接口,有足够的地址引脚，可以很容易的对存储器内部的存储单元进行直接寻址。在实际的系统中，可以根据需要选择ARM处理器与Nor Flash的连接方式。图2给出了嵌入式最小系统在包含两块Nor Flash的情况下，ARM处理器与Nor Flash两种不同的连接方式。

图 2 Nor Flash 接口方式

　　（1）双Flash独立片选

　　该方式是把两个Nor Flash芯片各自作为一个独立的单元进行处理。根据不同的应用需要，可以在一块Flash中存放启动代码，而在另一块Flash中建立文件系统，存放应用代码。该方式操作方便，易于管理。

　　（2）双Flash统一片选

　　该方式是把两个Nor Flash芯片合为一个单元进行处理，ARM处理器将它们作为一个并行的处理单元来访问，本例是将两个8bit的Nor Flash芯片SST39VF1601用作一个16bit单元来进行处理。对于N（N>2）块Flash的连接方式可以此作为参考。

　　3.2.2ARM处理器与Nand Flash接口技术

　　Nand Flash接口信号比较少，地址，数据和命令总线复用。Nand Flash的接口本质上是一个I/O接口，系统对Nand Flash进行数据访问的时候，需要先向Nand Flash发出相关命令和参数，然后再进行相应的数据操作。ARM处理器与Nand Flash的连接主要有三种方式，如图3所示：

图 3 Nand Flash 接口方式

　　（1）运用GPIO方式

　　运用GPIO管脚方式去控制Nand Flash的各个信号，在速度要求相对较低的时候，能够较充分的发挥NAND设备的性能。它在满足NAND设备时域需求方面将会有很大的便利，使得ARM处理器可以很容易的去控制NAND设备。该方式需要处理器提供充足的GPIO。

　　（2）运用逻辑运算方式进行连接

　　在该方式下，处理器的读和写使能信号通过与片选信号CS进行逻辑运算后去驱动NAND设备对应的读和写信号。图3中b例为SamSung公司ARM7TDMI系列处理器S3C44B0与Nand Flash K9F2808U0C的连接方式。

　　（3）直接芯片使能

　　有些ARM处理器如S3C2410内部提供对NAND设备的相应控制寄存器，通过控制寄存器可以实现ARM处理器对NAND设备相应信号的驱动。该方式使得ARM处理器与NAND设备的连接变得简单规范，图3中c例给出了ARM处理器S3C2410与Nand Flash K9F2808U0C的连接方式。

　　3.3 ARM处理器与SDRAM接口技术

　　嵌入式最小系统的外部动态存储器模块一般采用SDRAM。现在的大多数ARM处理器内部都集成有SDRAM控制器，通过它可以很容易的访问SDRAM内部的每一个字节。在实际开发中可以根据需要选用一片或多片SDRAM。图4中给出了两种常用的接口方式。

图 4 SDRAM接口方式

　　（1）单片SDRAM

　　图4 中a例为 ARM处理器S3C44B0与一个16bit的SDRAM K4S641632d的连接方式。在对尺寸有严格限制且对动态存储器容量要求不高的嵌入式系统中常采用此种连接方式。

　　（2）双片16bit SDRAM结合使用

　　在双片16bit SDRAM合成一个32bit SDRAM使用时，ARM处理器的地址线A2接SDRAM的地址线A0,其余地址依次递增，这是因为在SDRAM中字节是存储容量的惟一单位，而此时SDRAM为32bit位宽。

　　SDRAM的BA地址线是其内部Bank的地址线，代表了SDRAM内存的最高位。在图4中b例的SDRAM总大小是64M（64M= ），需要A25-A0引脚来寻址，所以BA1-BA0连接到了A25-A24引脚上。还需注意的是SDRAM内存行地址和列地址是复用的，所以地址线的数目一般少于26条，具体连接需要参考ARM处理器和SDRAM的相关手册。

　　值得注意的是，有些ARM处理器如SamSung公司的ARM940T系列处理器S3C2510 ，其地址总线与其它标准ARM处理器不太一样，它的地址线分为内部地址线和外部地址线两种类型。根据所连接的存储器数据总线宽度，内部地址线进行相应的移位，对应到外部地址线A23-A0,从而对外提供固定的地址线A23-A0。其实质与典型的ARM处理器是一致的。

4. 嵌入式系统启动架构

　　启动架构是嵌入式系统的关键技术。掌握启动架构对于了解嵌入式系统的运行原理有着重要的意义。嵌入式系统在启动时，引导代码、操作系统的运行和应用程序的加载主要有两种架构，一种是直接从Nor Flash启动的架构，另一种是直接从Nand Flash启动的架构。

　　需要注意的是，在嵌入式系统启动引导的过程中会有多种情况出现，如vxWorks的启动代码BootRom就有压缩和非压缩，驻留和非驻留方式之分，而操作系统本身也多以压缩映象方式存储，所以启动代码在执行和加载过程中需要根据不同的情况，作出相应的处理。

　　4.1从Nor Flash启动

　　Nor Flash具有芯片内执行（XIP，eXecute In Place）的特点，在嵌入式系统中常做为存放启动代码的首选。从Nor Flash启动的架构又可细分为只使用Nor Flash的启动架构和Nor Flash与Nand Flash配合使用的启动架构。图5 给出了这两种启动架构的原理框图。

图 5 启动架构

　　4.1.1单独使用Nor Flash

　　在该架构中，引导代码、操作系统和应用代码共存于同一块Nor Flash中。系统上电后，引导代码首先在Nor Flash中执行，然后把操作系统和应用代码加载到速度更高的SDRAM中运行。另一种可行的架构是，在Nor Flash中执行引导代码和操作系统，而只将应用代码加载到SDRAM中执行。

　　该架构充分利用了Nor Flash芯片内执行的特点，可有效提升系统性能。不足在于随着操作系统和应用代码容量的增加，需要更大容量昂贵的Nor Flash来支撑。

　　4.1.2 Nor Flash和Nand Flash配合使用

　　Nor Flash的单独使用对于代码量较大的应用程序会增加产品的成本投入，一种的改进的方式是采用Nor Flash 和Nand Flash配合使用的架构。在该架构中附加了一块Nand Flash，Nor Flash（2M或4M）中存放启动代码和操作系统（操作系统可以根据代码量的大小选择存放于Nor Flash或者Nand Flash），而Nand Flash中存放应用代码，根据存放的应用代码量的大小可以对Nand Flash容量做出相应的改变。

　　系统上电后，引导代码直接在Nor Flash中执行，把Nand Flash中的操作系统和应用代码加载到速度更高的SDRAM中执行。也可以在Nor Flash中执行引导代码和操作系统，而只将Nand Flash中的应用代码加载到SDRAM中执行。该架构是当前嵌入式系统中运用最广泛的启动架构之一。

　　4.1.2从Nand Flash启动

　　有些处理器如SamSung公司的ARM920T系列处理器S3C2410支持从Nand Flash启动的模式，它的工作原理是将NandFlash中存储的前4KB代码装入一个称为Steppingstone（BootSRAM）的地址中，然后开始执行该段引导代码，从而完成对操作系统和应用程序的加载。该方式需要处理器内部有NAND控制器，同时还要提供一定大小额外的SRAM空间，有一定的使用局限性，在实际开发中较少使用。

5. 结束语

　　本文作者创新点：根据ARM体系结构的相通性，以基于ARM的嵌入式最小系统为平台，从硬件和软件两方面对其架构进行了研究。硬件方面就ARM处理器与常用外部存储器的接口方式进行了阐述，软件方面给出了嵌入式最小系统典型的启动架构及其选择标准。

关键词： 电力系统；特高压；变压器 

    随着大型水电、火电及核电基地的建设，我国对远距离、大容量超高压及特高压输电的需求日益增加。在现已运行的电网中，我国直流最高电压等级为±500 kV，交流最高电压等级也为500 kV。2005年底交流750 kV电压等级的电网即将投运，目前又在规划、研究、探讨直流±800 kV、交流1 000 kV及以上电压等级特高压电网的建设。文章对国外特高压（UHV）输变电技术，特别是变压器技术的现状及发展趋势作一此深入的介绍和分析，以期对我国1 000 kV特高压输变电系统的研究、设计和建设能起到参考和借鉴作用。

1、乌克兰变压器技术现状及发展趋势

    乌克兰是世界上少数已具有开发超高压、特高压输变电技术经验的国家之一。乌克兰扎布罗热变压器研究所是全世界最大的变压器研究所，该研究所的主要工作范围有：开展科研工作、设计工作、软件工作、开发新产品、设计工装设备及研究生产工艺、制造样品和少量产品、电气设备试验、修理复杂的电气设备、研究并提出国家标准、产品认证和咨询服务。其进行过的重要产品开发和试验项目有：DC±750 kV，320 MVA变压器、平波电抗器、隔离开关；750 kV并联电抗器；667 MVA，1 150/500 kV自耦变压器模型；1 800/500 kV自耦变压器模型；750～1 800 kV套管；DC 600 kV脉冲装置；220～500 kV中性点套管；干式变压器环境试验容量达到1 600 kVA；750 kV及以下电磁式电流互感器；500 kV及以下电磁式电压互感器；750 kV电容式电压互感器。

2、俄罗斯变压器技术现状及发展趋势

    俄罗斯20世纪70年代已做出了单相417 MVA/1 150 kV、三相1 000 MVA/500 kV的变压器，80年代做出单相667 MVA/1 150 kV与三相1 250 MVA/330 kV的变压器。

2.1 根据运行经验对变压器设计和工艺的改进

    1955～1990年，工厂生产的电力变压器参数有了大幅度提高，电压等级从220 kV提高到了1 150 kV，三相变压器的容量从240 MVA提高到了1 250 MVA，单相变压器的容量从250 MVA提高到667 MVA。 

    通过运行事故的反馈，乌克兰扎布罗热变压器研究所对一系列课题作了深入研究，取得了很好的改进效果，在系统中运行的240台750 kV电力变压器近15年无一台发生事故，可靠性达到了较高的程度。在此基础上，该研究所还系统地开发了变压器的计算机辅助设计程序。

2.2 乌克兰扎布罗热变压器厂 

    乌克兰扎布罗热变压器厂（ZTR）是世界上最大的变压器厂，它可生产电力和配电变压器、电抗器、分裂电抗器、电压互感器、电流互感器、DC换流变压器、封闭母线（单相或三相）等。ZTR所生产的产品有70%用于出口，已有75个国家进口了该厂的变压器，其中中国从该厂进口了73台500 kV电力变压器。ZTR生产过的主要产品有：① 三相1250 MVA/347 kV变压器6台（1980年生产）；三相1 000 MVA/500 kV发电机升压变压器21台；三相三绕组300 MVA，500/154/38 kV变压器。② 单相417 MVA，750/500 kV变压器67台（1978年生产）；单相533 MVA，500/330 kV与单相417 MVA，1 150/500 kV变压器各1台（1981年生产）；单相667/180 MVA，1 150/500 kV自耦变压器26台（1979年生产20台，1972年生产6台）。③ 320 MVA，±750 kV换流变压器。④ 120 Mvar，800 kV和300 Mvar，1 150 kV并联电抗器及其中性点电抗器。⑤ OLTC330 kV，2 000 A。⑥ 单相60 Mvar，500 kV可控电抗器1台（1989年生产）。⑦ 417/50 MVA变压器143台（1972年生产105台，1973年生产38台）。⑧ 3相25 Mvar，110 kV可控电抗器1台（1997年生产）。⑨ 单相500 MVA，765/345 kV±13%（每级1.3%）自耦变压器出口巴西，P0=200 kW，Pk=700 kW。⑩ 配电变压器及各种特种变压器。 35 kV，31.5 kA封闭母线。 

    ZTR生产的铁心绑扎采用粘带绑扎，铁心柱内填一层薄纸筒纸板，然后绑上粘带，铁心夹件采用钢带拉紧，与西门子、ABB公司所生产的变压器结构相似。绕组电压在500 kV及以上一律采用的是油流不导向结构，所以绕组内径、外径有锁撑，看不见线饼里存在挡油板。变压器附件较为落后，放油阀门采用的是水阀，油箱加工较为粗糙，油箱顶部斜坡较大，工人操作困难。变压器采用磁屏蔽，硅钢片宽度约为80 mm，厚度为15～30 mm，端部用电焊把硅钢片焊在一起。变压器套管结构较落后，套管上部带了一个铁丝均压罩，不设均压球，套管油压靠另外设置的一个小油枕。

3、日本变压器技术现状及发展趋势

    为了满足21世纪日益增长的电力需求，东京电力公司（TEPCO）开发了日本第一套1 000 kV输电系统，并且正在Shin-Haruna变电站1 000 kV试验场运行以测试1 000 kV设备的性能及可靠性。三菱电气开发了多种1 000 kV电气设备。东芝公司的Ako工厂生产了一款1 000 kV用于资格测试的有载调压单相壳式变压器。下面对东芝公司生产的1 000 kV变压器的规格、构造、安装和测试情况进行介绍。

3.1 规格 
　　
    东芝公司1 000 kV有载调压单相壳式变压器的基本规格参数见表1。

    高压和中压侧容量的选择主要是为了满足最大输送容量的要求。第三绕组容量1 200 MVA（40%的高压和中压侧容量）的选择主要是为了满足1 000 kV输电线路所要求的最大视在容量。低压侧绕组额定电压如果像500 kV变压器那样选择63 kV的话，将会导致很大的故障电流，选择147 kV是为了使得和低压侧绕组相联设备的体积不致增加。阻抗值（短路电压百分比）选择18%是考虑到电网的最大稳定性，它是由接地故障电流的抑制和变压器设计的经济性等因素决定的。因为1 000 kV变电站将建在山区，所以所有的变压器配件都必须采用铁路或大型拖车来运送。为了满足运输条件的限制，1 000 kV变压器的主体部分被拆成了两个单元，每个单元都配备一套自动有载调压装置。长期交流工频耐受电压的选择是由对未来1 000 kV输电系统的故障分析所得到的，在试验过程中不得出现局部放电。雷击脉冲承受试验电压是由具有高性能避雷器的1 000 kV输电系统的暂态电压分析所得到的。高压侧选择1 950 kV，中压侧选择1 300 kV。65 dB的噪声水平主要是为了使变电站的噪声降至最小，可通过在变压器周围安装钢板屏障来实现。

3.2 构造

    1 000 kV变压器的电压和容量都是500 kV 变压器的2倍，它是日本目前使用的最大的变压器。但是，运输和安装空间的限制要求运输尺寸不能比500 kV变压器的大。所以选择把单相变压器分成2个单元，每个单元都具有和1个500 kV，1 500/3 MVA变压器相同的容量。这2个单元可以通过一个油—汽衬垫的T型套管并联运行。1 000 kV变压器必须能够承受500 kV变压器2倍的电压，而应满足运输限制所要求的最小绝缘距离。因此，绕组的排列和绝缘的构造都应尽量减小电场的局部聚集，并且安排了大量的屏障用来把油空间恰当地分隔开；还采用净化处理工艺来减少油中的杂质，这样有助于保证更大的绝缘裕度，如果仅仅用绝缘纸，那么1 000 kV导线的绝缘是不可接受的，采用了多层屏障来减小导线到变压器外壳之间的绝缘距离。

4、结语

    现在，可以进行长期励磁试验的1 000 kV变压器已经生产出来，经过测试这些变压器的经济运行是切实可靠。1 000 kV变压器的发展、制造、运输和装配技术也可以用来提高500 kV及以下电压等级变压器的质量。

　　对嵌入式软件构件平台而言，其支撑平台首先是一个嵌入式实时多任务操作系统，其次为整个软件构件的设计提供开发工具和集成环境。在支撑平台的设计过程中，可以借鉴领域工程的思想，将整个嵌入式实时多任务操作系统设计成一个系统级的软件构件库。这样不但实现了嵌入式操作系统的可裁剪性，而且由于从嵌入式操作系统到应用程序的设计都是基于离散化的软件构件，因此方便了嵌入式控制应用软件设计时的集成和调试。为了方便软件构件的管理，可以将系统级和应用级的软件构件库综合成一个功能完备的软件构件库。它包括从嵌入式控制系统的系统层、支撑层和应用层所需的一切软件构件，因而具有功能的完整性。

1 嵌入式软件构件平台的体系结构

　　嵌入式软件构件平台的体系结构如图1所示，它包括系统层、连接层（支撑层）和应用层3个部分。系统层属于领域工程的范畴，它利用领域工程的分析方法对嵌入式控制系统进行分析、抽象和提炼，并分解成相应的系统类和应用类功能模块。连接层是一个嵌入式软件构件平台，它实现系统层和应用层之间的无缝连接，即提供软件构件一个集成开发平台。应用层属于应用工程的范畴，用户根据实际的嵌入式控制系统的控制要求和目标，从软件构件库中选取所需软件构件，经集成后生成实际的嵌入式控制应用程序。

2 嵌入式软件构件平台的设计

　　该软件构件平台是基于TMS320F2812 DSP芯片构建的一个构件化的嵌入式实时多任务操作系统。在设计时充分利用了平台体系结构所述的设计思想，程序的可读性和裁剪性非常好。其特点是：

　　①设计了操作系统和系统两个数据结构。为了方便支撑平台的设计和对系统资源的集中管理，设计了操作系统数据结构，该数据结构为平台设计者独占，用户没有访问该数据结构的权限;另外，为了便于用户程序与操作系统之间的交互以及对系统资源的访问、申请，设计了系统数据结构。该数据结构用户是可见的，也是应用程序访问操作系统的唯一途径。

　　②配置了一个最小系统。其主要功能是当接到启动指令后对指令进行确认并判断启动方式;然后，根据启动方式完成微处理器的CPU寄存器和一些外围寄存器的初始化，并且对操作系统和系统两个数据结构进行初始赋值。但它不能实现任何的控制功能，完成初始化后就处于系统扫描状态。

　　③系统设计的任务数小于或等于16（即一个字长），这样一来任务的调度算法相对比较简单，而且完全能够满足嵌入式实时控制系统应用的要求。每一个任务指定唯一的优先级，其任务优先级与任务标识一致，优先级越高的任务其优先级ID就越低。可供任务选择的优先级ID范围是0～15，其中系统保留了最高和最低优先级任务。通信及系统同步采用了信号量方式（可以扩展），设计了P操作和V操作两种软件构件，对系统进行通信和同步管理;同时，设计了创建任务和任务开始两个软件构件，分别为任务的建立和结束提供系统管理。

　　④设计了任务调度、任务切换、任务上锁、虚拟消息等软件构件，实现系统对多任务的控制和管理。为了方便系统的任务切换，整个支撑平台系统设计了两类堆栈——系统堆栈和任务堆栈。

　　2.1 构件接口软件的设计

　　由于本构件装配是采用语言组态的软件构件集成方式，因此接口的定义类似于组态入口参数序列。它主要包含软件构件标识信息、软件构件注册信息及软件构件的配置信息。标识信息识别目前所用的是哪一个软件构件，并给出了软件构件的切入点（虚拟地址指针）;注册信息包含软件构件向操作系统申请的系统服务和系统资源，操作系统在得到注册信息后，为软件构件提供相应的系统服务和分配所需的系统资源;配置信息包括软件构件在不同的系统状态下所需的参数信息，它可以以数据或地址的状态给出。接口类软件主要是完成应用程序与支撑平台的交互，起到一个系统接口界面的作用，方便了用户对支撑平台的访问。它包括错误观察WatchErr（）、参数注册SysCom-pReg、获取整型量＊GetAddN（）、获取浮点数＊GetAddF（）、获取结构体＊GetAddS（）、取开关量Sys_GetBit（）、存开关量Sys_BitGetvalue（）、浮点数上/下限限幅Sys_Fmaxmin（）、整型量上/下限限幅Sys_Nmaxmin（）等函数。

　　2.2 系统配置类软件构件的设计

　　这类构件在系统软件集成时最多只能使用一次，主要完成系统资源的配置以及一些系统功能的启用，包括系统开始、系统结束、扩展、扩展内存等构件。

　　2.2.1 设计系统开始构件

　　一个嵌入式控制应用程序必须包括且仅包括一个系统开始构件，而且该构件位于软件构件组态集成序列的末端。系统循环扫描一开始时，首先进入的便是该构件。该构件的功能是根据系统所处的系统状态，对系统参数、程序空间进行配置。其接口定义如下：
　　

　　接口说明：构件号是该构件的唯一标识和切入点（该构件入口虚拟程序地址指针）;启动选择方式主要用于设定系统的启动方式;缺省通信方式主要是从CAN、MORDBUS和工业以太网中选择一种作为系统默认的通信方式;外部高速和低速时钟频率用于设置高速和低速外围所需的时钟频率，即可以修改最小系统中的初始配置;系统口令主要保证系统的安全性，不允许随意修改组态集成格式;系统型号和装配日期给出了系统软件集成的一些文本信息。设计者可以根据系统设计需要，在构件组态集成时自由配置。

　　2.2.2 设计扩展构件

　　由于系统设计时，在系统总配置表单中规定了最大的原始构件数小于或等于511，因此当系统构件数目超过原始构件个数时，必须通过扩展构件来扩展系统构件。扩展构件的接口定义如下：

　　接口说明：为了方便扩展构件，该接口设计为比较灵活的方式。它仅指出了扩展构件的地址，而扩展的构件个数由组态集成结束标识0来终结组态接口参数的设置。

　　2.2.3 设计扩展内存构件

　　在支撑平台的设计中，根据嵌入式控制应用程序的需要，将系统的整个内存空间划分为4大块，每一块有固定的长度和使用域。当应用程序对内存的需求超出设计范围时，可以利用扩展内存构件对内存进行扩展。其接口定义如下：

　　2.2.4 设计系统结束构件

　　系统结束构件固定位于软件组态集成序列的前端，即组态集成号为0。它在系统软件构件组态集成完毕后、即将进入系统运行时启用该构件，即处于系统循环的最后。它在系统工作状态工作，执行返回软件组态集成序列起始地址的功能。在系统初始化状态时，完成标定数据和一般数据的获取和保存，并执行启动系统时钟和看门狗，以及返回组态序列起始地址等系统功能。接口参数仅有一个标识该构件的构件号0。

　　2.3 系统任务类软件构件的设计

　　任务创建构件Task：一般的多任务操作系统运行之前，系统必须至少建立一个任务，一般是一个空闲任务，其他任务可以在程序运行的过程中创建。但在本支撑平台的设计中，鉴于一个实际的嵌入式控制应用程序的任务数事先是可以确定的，因而设计了任务创建构件，可以利用该构件在应用程序的软件集成过程中创建所需的任务。该构件的组态集成接口定义如下：

　　设计说明：每定义一个任务使用一次该构件。任务号是外指针，用户可见，里面包含虚拟程序地址指针、任务优先级等信息;系统为每个任务分配了堆栈空间，由于任务的不同，可能对系统资源的需求也不同，为了节省整个系统的内存空间，用户可以从组态集成接口直接指定任务堆栈的大小;为了跟踪任务的运行时间和任务定时，在接口中设计了时间单位和时间长度2个参数，对任务的运行时间进行统计和定时计数。另外，为了方便任务切换，整个支撑平台设计了两类堆栈，即系统堆栈和任务堆栈。因此在建立任务时，要根据所处的系统状态，对每一个任务的任务堆栈进行初始化设置。

　　2.4 通信和同步管理类软件构件的设计

　　任务间的通信有2种途径：通过全程变量，或发消息给另一个任务。使用全程变量时，必须保证每个任务或中断服务程序独享该变量。中断服务中保证独享的唯一办法是关中断。如果两个任务共享某变量，各任务实现独享该变量的办法可以是关中断再开中断，或使用信号量。在支撑平台的设计中，采用了信号量方式进行系统的通信和同步管理，包括P操作PSema和V操作VSema两种软件构件。

　　P操作软件构件实现下列功能：在系统注册状态完成注册表的填写，向系统申请所需的系统资源;在系统参数初始化状态完成信号量数据结构的初始化;在系统工作状态，如果信号量大于零（即信号量可用），则信号量减1，否则表示信号量不可用，进行任务悬挂操作和任务切换。其接口定义如下：

　　接口说明：信号量地址是外指针，用户可见，是信号量数据结构的入口点;信号量初值若设为1，则表示任务通信，若为0，则表示任务同步。

　　V操作软件构件只在系统工作状态下工作，与P操作软件构件公用一个数据结构。它首先将信号量减1，然后判断信号量是否大于零。若大于零，表示公共资源可用，则使所给定任务就绪，并进行任务调度和切换。其接口如下：

　　由于采用构件化的设计方式，系统通信和同步方式可以自由扩展。比如说可以在支撑平台添加邮箱或消息队列构件，采用哪种通信和同步方式主要根据系统的设计需要而定。

3 集成开发环境

　　本课题组采用微型消息总线MMB嵌入式系统集成开发环境（MMBIDE）应用程序编程语言引入IEC611 31-3标准，将结构化语句（Structured Text）描述程序设计语言作为自身嵌入式系统应用软件的编程语言。这主要是考虑到MMB嵌入式系统应用于工业控制领域，要求能够自身可以完成较复杂的控制运算，同时要求语句清晰、易懂，具有编程任务高度压缩化的表达格式。采用交叉开发方法，在Windows主机平台上开发与之连接的目标机。开发环境包括自己的可裁剪的微内核实时多任务操作系统，主机上的编译、调试、查看等工具，以及串口、网络与目标机的连接工具。其主要功能包括面向工业应用领域的应用程序基本框架、可重用的构件库、源程序编译器、组态下载用户工具、参数下载用户工具、参数实时监控界面等用于支撑应用程序开发的各类用户工具，是用户开发应用程序的重要基础，强调知识成果的积累和重用，是平台开发模式思想的集中体现。

结 语

　　本软件开发平台应用软件构件技术主要解决下列问题：软件构件的接口定义，提供软件构件与系统以及软件构件之间的交互机制，同时为软件构件的设计和封装提供依据。软件构件的开发和集成，为软件构件的设计和集成提供必要的开发工具。本文介绍了其中主要的系统级软件构件的开发方法，为系统集成各种应用级软件提供了总体框架，解决了控制系统应用软件难维护、难继承的问题，为控制类应用软件的开发提供了依据。

关键词：CAN; µClinux; S3C44B0X; 设备驱动程序

1 引言

　　基于嵌入式系统设计的工业控制装置，在工业控制现场受到各种干扰，如电磁、粉尘、天气等对系统的正常运行造成很大的影响。在工业控制现场各个设备之间要经常交换、传输数据，需要一种抗干扰性强、稳定、传输速率快的现场总线进行通信。文章采用CAN总线，基于嵌入式系统32位的S3C44B0X微处理器，通过其SPI接口，MCP2510 CAN控制器扩展CAN总线;将嵌入式操作系统嵌入到S3C44B0X微处理器中，能实现多任务、友好图形用户界面;针对S3C44B0X微处理器没有内存管理单元MMU，采用uClinux嵌入式操作系统。这样在嵌入式系统中扩展CAN设备关键技术就是CAN设备在嵌入式操作系统下驱动程序的实现。文章重点解决了CAN总线在嵌入式操作系统下驱动程序实现的问题。对于用户来说，CAN设备在嵌入式操作系统驱动的实现为用户屏蔽了硬件的细节，用户不用关心硬件就可以编出自己的用户程序。实验结果表明驱动程序的正确性，能提高整个系统的抗干扰能力，稳定性好，最大传输速率达到1Mb/s;硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

2 系统硬件设计

　　系统采用S3C44B0X微处理器,需要扩展CAN控制器。常用的CAN控制器有SJA1000和MCP2510,这两种芯片都支持CAN2.0B标准。SJA1000采用的总线是地址线和数据线复用的方式，但是嵌入式处理器外部总线大多是地址线和数据线分开的结构，这样每次对SJA1000操作时需要先后写入地址和数据2次数据，而且SJA1000使用5V逻辑电平。所以应用MCP2510控制器进行扩展，收发器采用82C250。MCP2510控制器特点：1.支持标准格式和扩展格式的CAN数据帧结构（CAN2.0B）;2.0～8字节的有效数据长度，支持远程帧;3.最大1Mb/s的可编程波特率;4.2个支持过滤器的接受缓冲区，3个发送缓冲区;5.SPI高速串行总线，最大5MHz;6.3～5.5V宽电压范围供电。MCP2510工作电压为3.3V，能够直接与S3C44B0X微处理器I/O口相连。为了进一步提高系统抗干扰性，可在CAN控制器和收发器之间加一个光隔6N137。其结构原理框图如图1：

图1.S3C44B0X扩展CAN结构框图

图2.字符设备注册表

3 CAN设备驱动程序的设计

　　Linux把设备看成特殊的文件进行管理，添加一种设备，首先要注册该设备，增加它的驱动。设备驱动程序是操作系统内核与设备硬件之间的接口，并为应用程序屏蔽了硬件细节。在linux中用户进程不能直接对物理设备进行操作，必须通过系统调用向内核提出请求，由内核调用相应的设备驱动。因此首先建立Linux设备管理、设备驱动、设备注册、Linux中断这几个概念。

　　3.1 Linux的设备管理

　　Linux支持各种各样的外围设备,对这些设备的管理通称为设备管理。设备管理分为两部分：一部分是驱动程序的上层，与设备无关的，这部分根据输入输出请求，通过特定的设备驱动程序接口与设备进行通信;另一部分是下层，与设备有关的，通常称为设备驱动程序，它直接与硬件打交道，并且向上层提供一组访问接口。Linux设备管理为了对设备进行读、写等操作，把物理设备逻辑化，把它看成特殊的文件，称为设备文件，采用文件系统接口和系统调用来管理和控制设备。Linux把设备分为三类，块设备、字符设备和网络设备。每类设备都有不同管理控制方式和不同的驱动程序，这样方便于对系统进行裁减。Linux内核对设备的识别是根据设备类型和设备号。在字符设备中使用同一个驱动程序的每种设备都有唯一的主设备号。CAN设备通过在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下设置设备类型和设备号分别为can、125。

　　3.2 file_operations结构体

　　Linux对设备操作的具体实现是由设备驱动程序完成。设备驱动程序加载到系统中通过设备注册实现。Linux驱动程序对文件的操作通过file_operations结构体来完成。file_operations结构体是文件操作函数指针的集合。在设备管理中该结构体各个成员项指向的操作函数就是设备驱动程序的各个操作例程，编写驱动程序实质上就是编写该结构体中的各个函数。对不同的设备可以配备其中全部或部分的操作函数，不使用的函数指针置为NULL。下面是CAN设备file_operations结构体：

　　Static struct file_operations ｛

　　write: s3c44b0_mcp2510_write,//写操作

　　read: s3c44b0_mcp2510_read,//读操作

　　ioctl: s3c44b0_mcp2510_ioctl,//读写之外的操作

　　open: s3c44b0_mcp2510_open,//打开设备

　　release: s3c44b0_mcp2510_release｝;//关闭设备

　　这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用，来调用自己的驱动接口,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序,然后读取这个