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Honeywell 51300409

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**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**基本、**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**小系统的设计原则及方法基本相同，这使得对嵌入式**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**小系统为平台，从硬件和软件两方面对嵌入式**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**小系统的启动架构做了详细分析。

2. 嵌入式**小系统

　　嵌入式**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**小化模块配置。对于一个典型的嵌入式**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**小系统的核心部分。

　　● 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**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**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。

　　（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：

　　（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**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。

 

　　（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**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**。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。

　　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**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**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**小系统典型的启动架构及其选择标准。

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**高电压等级为±500 kV，交流**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**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****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**上**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**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**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**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**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**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**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**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。