X X X学 院
毕业论文
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二 ○ 年 月
数字化教学游戏的设计与开发
摘要：在能源消耗日益增长、环境污染日益严重的今天，作为可再生绿色能源的风能成为世界各国普遍重视的能源，风力发电已经成为一种新兴的重要发电形式，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。风力发电机组通常处在自然环境相对恶劣的地方，要保证系统的稳定性，对主控制器有很高的要求。本文介绍了嵌入式系统及其优点，提出将ARM处理器应用在风力发电控制器中，在软硬件方面都要优于以前的处理器。本文把风电机组控制器和嵌入式系统有机地结合起来，对兆瓦级风电机组控制系统进行了研究。
首先，概述了双馈风电机组的运行原理和组成，介绍了其运行区域，讨论了主控制器在最大风能跟踪阶段的控制策略，描述了监控系统的功能。根据控制系统的要求，分析了控制系统的组成结构和输入输出信号，在此确立了其型号和硬件配置，这里采用嵌入式微处理器Samsung S3C2410X为控制核心，详细地设计了双馈风电机组本地控制器的硬件电路，包括SDRAM、Flash、LCD、串口、检测接口电路以及远程监控系统。
然后对嵌入式操作系统Linux进行了详细的介绍，将ARM-Linux移植到S3C2410X上，包括嵌入式操作系统Linux、嵌入式内核、嵌入式文件系统和用户图形界面，减轻了系统应用程序开发的工作量。结合风电控制系统中的控制方法基于模块化编程的思想，设计了主要的程序流程和相应的安全保护措施；根据实际情况，对系统功能进行设计，提出嵌入式Web服务器为核心，采用B/S结构的监控系统方案，通过公共网关接口（CGI）技术使得客户端浏览器和嵌入式Web服务器间建立交互，用户在上位机通过浏览器就可以对远程现场进行监控，也可以对其进行操作和系统配置。具有信息输入、查询和维护等基本功能，并实现了部分监控功能，具有广泛的应用前景。
最后，对本文所做的工作进行了总结和展望，提出了系统不完善之处和改进部分。
关键词：风力发电机组；控制系统；S3C2410X；ARM-Linux；B/S；公共网关接
Abstract: Nowadays, daily energy sources consume increasing and environment empoison being serious gradually, wind power as renewable, no pollution energy source, is paid great attention by more and more countries. It is a new kind of power generation. The technology also becomes research hotspot of many countries’ scholars. Wind power generators are often placed in the worse circumstance. It has very high demand for the main controller to keep the system stable. At the same time, embedded system and its advantage are introduced. Then it puts forward ARM processor which is used in wind power generators’ controller. It is superior to the previous processors in hardware and software. This article connects controller and embedded system organically. The control system of the large-scale Wind Turbine Generator is designed and studied. Firstly, the paper briefly describes the operation principle and the constitution of variable speed constant frequency double-fed induction generators(DFIG). The operation area of DFIG is introduced, and the control strategy of the main controller during the maximum wind power tracking period is discussed. The function of the monitoring system is described. According to the requirements of the control system, the structure, input and output signals of the control system are analyzed. And the configuration of the core is based on the S3C2410X. Then, its host hardware frame is discussed, including SDRAM, Flash, LCD, serial port, detecting interface circuit, the remote monitoring system etc.
Secondly, this article introduces the embedded operating system on Linux, and ARM-Linux is transplanted into the S3C2410X, including embedded system Linux, embedded kernel, embedded file system and user’s graphics interface. It alleviates the workload of the system application exploitation. On the basis of the idea of modularized software design, the flow charts and the corresponding safety and protection design are given. According to the actual situation it adopts the project of the Browser/Server control system which takes Web server as its core and can meet the requirements. Client’s browser and embedded server are connected through Common Gateway Interface (CGI). Then authorized users can access by the browser on the remote site and control the movement and operate the configuration of the system. It is able to operate and configure the system. The system has some basic functions, such as information input, query and maintain. It realizes partial monitoring functions and has broad applying prospects.
At last, the paper provides generalise and review of the work done, the inadequacies of the present system and the way to improve the performance.
KeyWords：wind power generators, control system, S3C2410X, ARM-LINUX, browser/server, common gateway interface
1 引言
1.1 研究背景
能源是世界经济现代化的物质基础，是生产力发展的主要源泉，它的增长速度与国民生产总值呈同步增长。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直持续到现代社会。随着社会的飞速发展，人类对能源的需求不断增加，石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源日益枯竭。
目前，火力发电量占全国发电量的80％以上，新建电厂也大多以火电项目为主。过度依赖化石燃料，为将来埋下祸根，造成大气污染，所产生的温室气体造成了极为严重的威胁。近一个世纪以来，化石燃料的使用量几乎增加了30倍，资源专家预测，二三十年后，中国的二氧化碳排放总量很可能超过美国，成为世界上最大的温室气体排放国。如果不加以控制，温室效应将会融化两极的冰山，这很可能使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将因此受到极大的威胁，生存环境的恶化向全世界能源工作者提出了严峻的挑战[1]。
此外，全世界每年向大气排放的SO2、氮氧化物等有害气体也在急剧增加。当大气中的SO2和氮氧化物遇到水滴或者潮湿空气即转化成硫酸与硝酸溶解在雨中，使降雨的PH值降到5.6以下，这种雨即为酸雨。上世纪以来，全世界酸雨污染范围日益扩大，酸度不断增加。我国的酸雨是硫酸型酸雨，其中的SO2等主要来自煤炭的燃烧。
“十一五”规划把节能减排作为约束性目标，高度重视资源节约和环境保护。近几年，又提出并实施节能减排综合性工作方案，建立节能减排指标体系和检测体系，颁布了一些方案。在这种背景下，发展可再生能源，不仅是未雨绸缪，为将来替代化石燃料做准备，同时也可以缓解环境污染和二氧化碳排放这一燃眉之急，也是符合二十一世纪社会可持续发展的要求。因此，我们只能依靠现代科技，大力开发利用可再生能源[2]。
光能、地热等在内的各种可再生能源之中，风电的技术最为成熟，也最具备商业化应用的条件。风力是大自然中不需要成本的能源，是一种理想的绿色能源，对环境不会产生任何不利的影响，可以节约能源，而且风能发电的自动化程度高，现在已经实现了远程监控。在生活水平逐渐上升的发展中国家，风能是一种安装简便而有效的能源。在工业化国家，风能为一种兼顾能量增容和环保要求的新型能源，大多数能源的成本在上涨，而风能的成本却随着技术的改进而下降。
可见在推行可持续发展的今天，风力发电给我们带来了很大的经济效益和环境效益，显示出很大的优越性，有良好的发展前景。它在多种可再生能源中是技术上最成熟，最具有竞争力的可开发资源，这种可再生能源，日益受到世界各国的重视。
1.2 国内外风力发电的发展及状况
风能是太阳能的一种表现形式，它是太阳能对地球的热辐射引起的温差和地表状态的不规则而形成的空气流动。到达地球的太阳能大约有2%转变成风能。据估计，地球近地层的风能总量约为13000亿千瓦，其中可以利用的风能约为10亿千瓦。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，很多国家都在对其发开，对大型风力发电机组控制系统研究十分活跃，进一步的提高机组运行性能、降低开发成本。可见风力发电具有重要的经济效益和社会效益。
近5年来，世界风能市场每年都以40%的速度增长。19xx年全世界风电装机容量只有7000兆瓦，20xx年已有9万兆瓦，这一数字到20xx年将会是16万兆瓦。预计未来20~25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。
国外风力发电的概况
20世纪70年代以前，只有小型充电用风电机组投入使用，与潮汐、生物质能等新能源技术
相比，风电系统具有结构简单、规模大小灵活、远距离控制、并网运行等优点。90年代中期，欧洲已有16个国家将风力发电列为重要的能源，并将风能列为21世纪的重要能源发展战略。
20xx年开始，兆瓦（MW）级以上的交流励磁变速恒频双馈风力发电机组逐步成为国际风电市场的主流产品。近海风电场的发展，又使风电机组单机容量进一步上升到3.6、4.2、4.5和5MW。其中，美国、德国、印度、西班牙和中国是新增装机容量前5位的国家，分别达到245.4万KW、219.4万KW、184.0万KW、158.7万KW和133.7万KW。20xx年底，全球风电累计装机容量为7422.3万KW。在全球风电产业持续快速发展过程中，欧洲风电一直处于领跑地位。按照欧洲几年前制定的发展规划，风电装机容量在20xx年要达到4000万KW，而到20xx年底，欧洲实际装机容量就已经达到4090.4万KW，已提前5年实现了20xx年装机目标。根据欧洲风能协会预测，世界风电装机20xx年为2亿KW，20xx年为12亿KW，20xx年为27亿KW。届时风电将分别占世界总量的2.26%、12%和21%，风电将逐渐成为主要的替代能源。
现在世界上最大的风力发电国是德国，19xx年起步，到20xx年底风电装机容量已达1460万KW，20xx年其装机容量为2700万KW。按照德国风电发展计划，到20xx年，风电电量将占总发电量的12.5%；到20xx年，将占到50%。丹麦、德国、西班牙等国家的风力发电机组的技术水平和生产能力处在世界领先水平，兆瓦级风力发电机组在丹麦和德国已经进入批量生产阶段。
欧洲占世界风电总装机容量的70%以上，但其他国家也在不断的开辟市场，已经有50多个国家正积极发展风能事业。美国的风力发电规模较大，20xx年美国风力发电规模增长速度为26%。以前大都集中在西海岸的加利福尼亚地区，现在已经逐步向外扩，美国中、西部地区已经建设了风电场。德克萨斯州风电的增长最引人注目，美国三分之一的新建风力发电机组都设在这个州，德克萨斯州的风力发电量也因此超过加利福尼亚州居全美国第一[3]。 亚洲国家也在大力开发风力发电研究。印度的风电业发展较快，80年代后期才开始建立大型风电场，到19xx年，总装机容量已达601MW。20xx年，印度西部地区广泛利用风力来发电，安装的风力发电机总发电功率为7000多MW，仅次于德国、西班牙和美国。
由于世界各国对风力发电的重视，风电技术日益成熟。目前，风电机组的技术正朝着增大单机容量，减少自身体积和提高转换效率等方向发展。随着单机容量的增大，风电成本不断地下降，可以与其他能源竞争。
1.2.2 国内风力发电的概况
我国风力发电从20世纪80年代起步，19xx年后逐渐走向产业化发展阶段，但是相对国外起步比较晚。19xx年以前，我国基本上以进口风机为主，19xx年以后国产化机组才有所增加，由19xx年占总装机容量的1.2%增加到20xx年的26.4%。
19xx年4月，我国第一个风电场在山东荣城并网发电。到20xx年底，共有61个风电场建成（不包括台湾的9个风电场）。全国风电装机容量达到126.6万KW，风电机组1864台，分布在15个省（市、自治区、特别行政区）。与20xx年累计总装机容量76.4万KW相比，20xx年累计装机增长65.6%。风电装机容量约占全国总装机容量的0.25%，风电发电量约占全国总发电量的0.12%。累计装机容量前3位的省（自治区）是新疆（18.1万KW）、内蒙古（16.6万KW）、广东（14.1万KW）。累计装机容量前3位的风电场是宁夏贺兰山风电场（11.22万KW）、新疆达坂城风电场（8.28万KW）、内蒙古辉腾锡勒风电厂（6.85万KW）。20xx年，全年新增装机容量高达133.7万KW，从而使我国总装机容量达到260万KW，与20xx年相比，增长了105%。据不完全统计，20xx年全国范围内投产的风电装机容量高达300万KW。在过去5年中，单个风电场项目的开发建设规模已从1万KW左右发展到30
万KW，高于国外单个项目开发规模。根据刚刚颁布的发展规划，我国风电装机容量到20xx年将达到500万KW，20xx年达到1500万KW，20xx年达到3000万KW。
目前我国在风力发电开发研究技术上与发达国家相比还存在一定差距。据统计，我国可利用的风能资源是德国的11.3倍，但是风电总装机只为德国的3.88%；即使同印度相比，我国的总装机容量还不及它的三分之一。开发研究水平落后于国外的主要原因：不具备大型风力发电机组关键部件的制造技术和能力，一直以来先进的设备和技术都是借鉴国外。
因此，我们借鉴国外经验，大力发展风电产业。20xx年，绿色和平组织发布的中国风电发展报告中表明，中国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术，给予了有力的扶持。确定了20xx年和20xx年风电装机容量分别达到1000万千瓦和3000万千瓦的目标，制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展，以此加快风电机组国产化进程。
1.3 风力发电机组控制系统发展
风力发电与火电、核电相比，单机容量小、占地面积广、数据采集与监控较困难，由于风电场通常远离市区，技术条件一般较差，为了确保风电场安全稳定运行，需要有性能完善的自动监控系统。在20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、发展风力发电机，建立风电场。由于实际环境不同，我们不得不以国家的情况研究风力发电技术，建立风力发电机组控制系统。
目前我国风电场远程数据采集与监控系统都是从国外引进的，90%以上的风电机是进口的，每个生产厂家的风电机都有自己特有的控制系统，对于每一种机型，其控制系统都不一样。然而，随着风电场的扩建，多机型现象在各个风电场都会出现，只有通过各个监控系统的整合，才能够实现系统管理的功能要求，这就需要建立一个适用于各种类型风电机的统一远程监控的风电机组控制系统。该控制系统一旦成熟，风电场的运行可以无人职守，从而降低运行成本，提高经济效益。
衡量一个风力发电机组的工作情况以及性能好坏，很大程度上是以其控制系统作为依据的。它是整个风力发电的核心和灵魂，也是限制风电发展的诸多原因之一。
对风力发电机组控制系统的研究，主要包括：主控制器和风场监控系统。这两方面离不开电子线路、电力电子技术、计算机技术、传感器技术、信号处理技术和通信技术等发展。 风力发电机组主控制器是整个风力发电机组电气控制的核心，是机组各部分的协调安全运行和提高风力发电整体运行发电效率和发电质量的重要保证。主控制器主要实现风力发电机组的整体协调运行，实现机组的监视和控制，进行风机的并网、脱网以及最大功率跟踪控制、恒转速控制和恒功率控制。可见主控制器在风力发电中起到了相当重要的作用。
控制技术作为风力发电机组最关键技术之一，是机组运行的大脑。到20世纪80年代初，风力发电机组电气控制系统采用模拟电子器件，这与当时科技发展程度是吻合的。到了80年代中后期，计算机技术的发展以及其在控制中的应用，出现了基于微处理器的风力发电机组电气控制系统。进入90年代，开始对几百千瓦级的风电机组进行了研究，其监控系统采用的是基于单板机、单片机或可编程控制器的微机控制。随着微处理器在电力电子、工业控制等领域的广泛应用，风电机组的电气控制采用微处理器实现已经成为此行业的一种必然选择
[4]。
总的来说，风力发电机组控制系统的电气实现经历了从模拟电子器件到微机控制这两大发展阶段。
目前风电场运行的风电机组都有自己的控制系统，用来采集自然参数、机组数据和状态，计算、分析、判断和控制机组的启动、停机和刹车等一系列控制以及各种保护动作，能使单台风电机组全部自动控制，无需人为干预。同时当数十台机组安装在同一风电场时，集中监控
管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况和故障类型等就显得十分重要。为了实现上述功能，下位机控制系统应能将下位机的数据、状态和故障情况通过专用的通讯装置和接口电路与中央监控室的上位计算机通讯，同时上位机能传达对下位机的控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能[5][6]。
1.4 课题来源和本文所做的工作
1.4.1 课题来源和系统概述
本课题是和上海电气输配电股份有限公司研究合作开发的兆瓦级风力发电机组控制技术中的一部分，这个控制系统包括主控制器、偏航控制器、制动控制器、并网控制器、报警控制器和远程监控系统，系统的总体结构如图1所示。
图1 电气控制系统结构图
Fig.1 Structure chart of electric control system
1．参数监视与数据存储：通过传感器采集风电机组在运行过程中的各种参数，包括电网（电压，电流，频率，风向，风速）、液压、风影、噪音、温度等参数，然后计算费率，绘制功率曲线，同时将这些参数显示出来以供控制机组。
2．主控制器：它是电气控制系统的核心，通过各类传感器对电网、风况和风电机组运行参数进行监控，并与其他功能模块保持通信，根据各方面的具体情况做出分析后，发出各种控制指令，实现系统启动/停止，功能模块启动/停止，运行参数统计，马上修改控制数据。其中主要包含以下几个方面：
1）并网控制：接收主控制器的命令，实现大小电机的并网发电，同时将执行结果返回至主控制器。其作用是减小并网时对电机和电网的冲击。
2）偏航控制：接收主控制器对风的指令，通过偏航电机控制偏航系统，将执行结果返回到主控制器；实现自动解缆，避免电缆缠绕。
3）制动控制：制动控制功能包括暂停、停机和紧急停机三种方式。从主控制器中接收到制动信号时，发电机和变频器脱网。
4）报警控制：发生异常状态时，风机用户和所有者从设置在主控制器中的系统得到相关消息，使得用户决定是否需要立即采取措施。报警由安装在风力机附近的Modem发出，或者可以通过定向连接得到。
3．远程监控系统：对风力机运行的实时参数和各个主要状态进行采集和监控，并对风力机数据进行判断、分析和统计，系统监控人员可以通过远程监控系统对发生的故障进行及时的判断，以便做出对应的操作。
1.4.2 本文所做的工作
风能是一种自然资源，其速度、方向都是极不稳定的，风电机组大多要求能适应高温、高寒、高湿、高雾、大风沙等环境，并且达到无人监守。以上这些因素对风电机组监控系统的可靠性和对环境的适应性提出了非常严格的要求，其中传感器系统可以通过挑选可靠的元器件来解决，主控制系统就需要完成主要的控制任务。本论文的主要工作包括：
1．分析风力发电机组的运行原理，明确了电气控制系统主控制器的功能和控制系统的设计任务；
2．按照风力发电机组控制系统的功能需求，基于三星S3C2410X ARM处理器，完成了对控制器ARM的硬件配置，包括CPU、SDRAM、FLASH等模块，独立设计了部分信号接口转换电路，本地人机界面和远程监控系统的硬件配置，设计出主控制器的程序，描述了报警和保护方面的设计；
3．根据控制器的要求对操作系统进行了改造，建立ARM-Linux交叉编译环境。包括对内核的裁剪、编译并实现在开发板上的移植，配置文件的修改，文件系统的制作，最后把它们烧写到开发板中，开发基于嵌入式双馈风力发电机组的应用程序；
4．根据系统软件设计功能搭建嵌入式Web服务器，基于CGI的应用程序开发，对风电机组监控系统的界面进行设计。
2 嵌入式视频监控系统硬件
嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀，嵌入式系统把微控制器的系统硬件电路与其专用软件平台相结合，以此来达到系统操作的最高效率。在硬件方面，ARM系列32位处理器在低功耗移动通信设备方面占有绝对优势。ARM系列已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的IRSC标准。在本章中将介绍嵌入式基本知识、嵌入式操作系统、系统硬件总体结构和各个硬件功能模块。
2.1 嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。其主要特点是嵌入、专用。从20世纪70年代起，微型机以小型、价廉、高速数值计算等特点迅速走向市场，它所具备的智能化水平在工业控制领域发挥了作用，常被组装成各种形状，“嵌入”到一个对象体系中，进行某类智能化的控制。这样一来，计算机便失去了原来的形态与“通用”的功能，为区别于通用计算机系统，将这类为了某个“专用”的目的，而“嵌入”到对象体系中的计算机系统，称为嵌入式计算机系统。含有嵌入式系统的设备在生活中随处可见，比如：电子表、手机、MP3播放器、摇控器等，涵盖了生产、工业控制、通信、网络、消费电子、汽车电子、军工等领域。
2.1.1 嵌入式系统基本结构
嵌入式系统作为一类比较特殊的计算机系统，自下向上包含有4个部分。
硬件平台是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。
硬件抽象层，也叫板级支持包，是一个介于硬件与软件之间的中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向下与硬件进行交互。
嵌入式操作系统具有实时性、可靠性、强壮性、容错性、可裁剪可扩展性、可移植性、基于强占式高度策略的微内核系统，是为了简化不同平台的程序开发、移植、功能集中、精炼地对有限的资源进行充分利用与管理的操作系统。
嵌入式应用程序是运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。
2.1.2 嵌入式系统的特点
嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机、数字产品相比，利用嵌入式系统技术的产品有其自身的特点。
嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型的最大不同就是，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。它能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，使其移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用引结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用于中对处理器的选择更具有竞争力。
嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，将具有较长的生命周期。
为了提高执行速度和系统可靠性，将嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。
嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有套开发工具和环境才能进行开发。
2.2 嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而言的，除了能完成一般操作系统的功能，如进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等，通常还包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式系统操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱支程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
2.2.1 嵌入式Linux操作系统
Linux操作系统是UNIX操作系统的一种克隆系统。它诞生于19xx年的10月5日。此后借助于因特网，经过全世界各地计算机爱好者的共同努力，现已成为当今世界上使用最多的一种UNIX类操作系统，并且使用人数还在迅猛增长。Linux操作系统的特点具有如下特点： 开放性是指系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互联（OSI）国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地实现互联。Linux采用GPL授权，除了把源代码公开以外，任何人都可以自由使用、修改、散布；而Linux核心本身采用模块化设计，让人很容易增减功能，由于Linux具有这样高的可伸缩性，所以可以调出最适合我们硬件平台的核心出来。
多用户是指系统资源可以被不同用户各自拥有并使用，即每个用户对自己的资源有特定的权限，互不影响。Linux和UNIX都具有多用户的特性。
多任务是现代计算机最主要的一个特点。它是指计算机同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立。Linux系统调度每一个进程平等地访问微处理器。由于CPU的处理速度非常快，其结果是，启动的应用程序看起来好像在并行运行。
稳定性强，Linux不属于任何一家公司，但它却拥有全世界愿意投入自由软件的开发人员。在全球各处都有无数的人参与Linux核心的改进、调试与测试，也正因此造就了稳定度高的Linux。所以，Linux虽不是商业的产物，但它的质量却不逊于商业产品。
设备独立性，是指操作系统把所有外部设备统一当做文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。另外，由于用户可以免费得到Linux的内核源代码，因此，用户可以修改内核源代码，以便适应新增加的外部设备。
提供了丰富的网络功能，完善的内置网络是Linux的一大特点。Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统。Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能，包括支持Internet、文件传输和远程访问。
可靠的系统安全，在Linux操作系统中采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控
制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这些措施为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
良好的可移植性，可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台，并使它仍然能按其自身的方式运行的能力。Linux一开始是基于Intel 386机器设计的，但是随着网络的散布，加上有许多工程师致力于各式平台的移植，使得Linux可以在x86、MIPS、ARM/StrongARM、PowerPC、Motorola 68k、Hitachi SH3/SH4、Transmeta等平台上运行。这些平台几乎覆盖了所有嵌入式系统的CPU种类，这样，在硬件平台设计时，使得可以考虑的CPU种类增加了不少。
应用软件多，自由软件世界里有个很大的特点就是软件多，授权几乎都是采用GPL方式，大家都可以自由参考与使用，但是因为这些软件多半是由设计者利用空余时间开发的，不以赢利为目的，所以并不能担保这些软件完全没有问题。尽管如此，仍有许多优秀软件出现，例如，大家熟知的KDE与GNOME便是很好的证明。
2.2.2 嵌入式Linux系统的结构
嵌入式Linux系统的结构如图，从图中可以看到，Linux是一个典型的宏内核(即一体化内核)结构.硬件系统上面是硬件抽象层，在硬件抽象层上面是内核服务功能模块，这些模块通过系统调用接口向用户进程提供服务。
Linux系统的结构图
Linux内核主要的子系统包括:进程管理、虚拟内存管理、虚拟文件系统、网络模块。 进程管理：进程管理主要包括进程的创建、调度和通信等，是内核最重要的模块。
虚拟内存管理：Linux支持内存管理控制器MMU，使用虚拟内存管理机制。虚拟内存管理系统调用包括：内存分配、内存回收、请求分页和交换页等。
虚拟文件系统(VFS)：虚拟文件系统基本思想是将各种文件系统的公共部分抽取出来，形成一个抽象层。对用户程序而言，VFS提供了文件系统的系统调用接口。而对具体的文件系统格式而言，VFS通过一系列统一的外部调用接口来屏蔽实现细节，使得文件系统的调用不用关心底层的存储介质和文件系统类型。
网络模块：提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议；网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
2.3 视频监控系统硬件
随着USB摄像头的普及和基于ARM核的嵌入式SOC芯片的快速发展，二者结合的便携性越来越受到人们欢迎，而嵌入式Linux的迅速发展更为二者的结合铺平了道路。正是基于此，提出了一种风电机舱的嵌入式视频监控系统，该系统基于嵌入式Linux操作系统平台，硬件选用三星公司基于ARM920T核的S3C2410开发板，利用USB摄像头采集图像，应用软件利用Video4Linux内核应用编程接口函数实现图像采集，系统直接与TCP/IP网络相连，最终实现用户查看远程视频。本课题的硬件总体结构如图
视频监控系统硬件总体构成
传统视频采集系统一般采用基于PC机平台加视频采集卡的形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难，并不合适用来实现风电机舱视频监控系统，而本课题采用开源免费嵌入式Linux，硬件选用低成本、低功耗、高性能的S3C23410处理器和广泛应用的USB摄像头,极大地降低了成本，提高了稳定性，因而具有很高的研究价值。
2.3.1 ARM简介
ARM(Advanced RISC Machines)是微处理行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、
耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM技术具有性能高、成本低和能耗省的特点，适用于多种领域，如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。ARM能过这种合作关系，成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，有很多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，包括Intel、IBM、 LG半导体、 NEC、SONY、 Philips等公司。
ARM处理器是一种低功耗、高性能的32位的RISC处理器。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
体积小、低功耗、低成本、高性能。
大量使用寄存器，指令执行速度更快。
大多数数据操作都在寄存器中完成。
寻址方式灵活简单，执行效率高。
指令长度固定。
支持Thumb(16位)/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。
ARM9采用Harvard计算机结构，指令和数据分别独立的存储器和独立的总线，具有高速缓存和内存管理单元（MMU）。ARM9系列微处理大主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码相机和数码摄像机等。ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，适用于不同的应用场合。其主要特点如下：
5级整数流水线，指令执行效率更高
Harvard计算机结构。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
支持32位AMBA总线接口。
具有内存管理单元MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种嵌入式操作系统。 支持数据高速缓存和指令高速缓存，具有更高的指令和数据处理能力。
2.3.2 S3C2410处理器
S3C2410是著名的半导体公司Samsung推出的一款32位RISC处理器，为手持设备和一般类型的应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。S3C2410的内核基于ARM920T，带有MMU(Memory Management Unit)功能，采用0.18um工艺，其主频可达203MHz，适合于对成本和功耗敏感的需求，同时它还采用了AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)的新型总线结构，实现了MMU、AMBA BUS、Harvard的高速缓冲体系结构，同时支持Thumb16位压缩指令集，从而能以较小的存储空间需求，获得32位的系统性能。其片上功能如下：
内核工作电压为1.8/2.0V、存储器供电电压3.3V、外部I/O设备的供电电压3.3V 16KB的指令Cache和16KB的数据Cache
LCD控制器，最大可支持4色STN和256色TFT
4通道的DMA请求
3通道的UART(IrDA1.0、16字节TxFIFO、16字节RxFIFO)，2通道的SPI接口 2通道的USB(Host/Slave)
4路PWM和1个内部时钟控制器
117个通用I/O，24路外部中断
272Pin FBGA封装
16位的看门狗定时器
1通道的IIC/IIS控制器
带有PLL片上时钟发生器
S3C2410 ARM处理器支持大/小端模式存储字数据，其寻址空间可达成1GB，每个Bank为128MB，对于外部I/O设备的数据宽度，可以是8/16/32位，所有的存储器Bank（共有8个）都具有可编程的操作周期，而且支持各种ROM引导方式(NOR/NAND Flash、EEPROM等),其工作原理图如图
S3C2410X工作原理图
综上所述，S3C2410是一款低成本、低功耗、高性能的RISC处理器， 满足风电机舱嵌入式视频监控系统对图像采集、数据处理与远程数据传输的要求，同时也为风电机舱嵌入式视频监控系统未来功能扩展作了充分的准备。
2.3.3 SamArmDvk9 II 开发板硬件
SamArmDvk9 II 是针对S3C2410 的高性能开发平台如图，适合用来作为开发高性能手持式以及便携式智能设备或终端。开发板的硬件总体结构如图。
SamArmDvk9 II开发板
SamArmDvk9 II硬件总体结构
开发板硬件资源描述如下：
S3C2410：16-/32-bit ARM920T 内核
系统时钟：使用外部12MHz 晶体由CPU 内部PLL 备频至200MHz+
BOOT ROM：64Mbyte NandFlash
SDRAM：64Mbyte（32Mbyte×2）
TFT LCD 和触摸屏控制器（可配置为GPIO）
3通道UART
1个USB 主机控制器
1个USB 设备控制器
SD 卡/MMC 卡主机控制器（可配置为GPIO）
Embedded-ICE 调试接口
RTC 实时时钟（具备后备锂电池）
IIC 总线接口
ADC 模数转换接口
SPI 接口（可配置为GPIO）
IIS 数字音频输入/输出接口
EINT 外部中断接口（可配置为GPIO）
10M 以太网接口
多功能总线扩展接口
IDE/ATA 硬盘接口
2只发光二极管指示灯
2.3.4 USB摄像头
USB即通用串行总线(Universal Serial Bus)，是一种支持即插即用的新型串行接口。也有人称之为“菊链(daisy_chainning)”，是因为在一条“线缆”上有链接127个设备的能。USB要比标准串行口快得多，其数据传输率可达4Mb/s~12Mb/s（而老式的串行口最多是每秒115Kb）。除了具有较高的传输率外，它还能给外围设备提供支持。
USB设备的连接如图，对于每个PC来说，都有一个或者多个称为Host控制器的设备，该Host控制器和一个根Hub作为一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub。每个USB作为一个节点接在不同级别的Hub上。
USB Host控制器：每个PC的主板上都会有多个Host控制器，这个Host控制器其实就是一个PCI设备，挂载在PCI总线上。Host控制器的驱动由微软公司提供，如图17-3所示，这是笔者PC中的Host控制器及USB Hub的驱动。值得注意的是，这里Host分别有两种驱动，一种是1.0，另一种是2.0，分别对应着USB协议1.0和USB协议2.0。
USB Hub：每个USB Host控制器都会自带一个USB Hub，被称为根(Root)Hub。这个根Hub可以接子(Sub)Hub，每个Hub上挂载USB设备。一般PC有8个USB口，通过外接USB Hub，可以插更多的USB设备。当USB设备插入到USB Hub或从上面拔出时，都会发出电信号通知系统。
USB设备：USB设备就是插在USB总线上工作的设备，广义地讲USB Hub也算是USB设备。每个根USB Hub下可以直接或间接地连接127个设备，并且彼此不会干扰。对于用户来说，可以看成是USB设备和USB控制器直接相连，之间通信需要满足USB的通信协议。有的USB设备功能单一，直接挂载在USB Hub上。而有的USB设备功能复杂，会将多个USB功能连在一起，成为一个复合设备，它甚至可以自己内部带一个Hub，这个Hub下接多个USB子设备，其和多个子设备作为一个整体当做一个USB设备
USB摄像头就是利用USB接口与计算机系统进行连接使用的摄像头，它的接口端是一个扁口，能与计算机系统上的USB接口吻合。USB摄像头以其廉价和安装方便等特点被广泛使用在各种图像采集系统中。USB 摄像头在嵌入式系统中主要应用于图像采集设备、视频监控系统以及可视电话等方面。
目前嵌入式Linux2.6内核支持USB摄像头驱动主要有两款，分别OmniVision 公司生产高性能OV511 和Vimicro中星微ZC0301，本课题选用控制芯片为ZC0301PL的USB摄像头。ZC0301可支持USB 1.1接口，硬件最高支持VGA分辨率（640×480）。在VGA模式下可达到15帧/秒速率，在CIF（352×288）和 SIF（320×240）模式下可达到30帧/秒速率。
2.5 本章小结
本章叙述了嵌入式系统的基本概念，分析嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主要有嵌入式微处理器、存储器和外围接口设备等，软件系统主要有嵌入式操作系统和应用程序等，详细分析了嵌入式Linux操作系统的特点和内核结构。结合本课题的研究，介绍了三星嵌入式微处理器S3C2410、SamArmDvk9 II 开发板硬件资源和USB摄像头，阐述嵌入式视频监控系统硬件总体构成。
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致 谢
在论文完成之际，首先要感谢我的导师郭家虎副教授，他对于我的工作给予了热忱的关怀和悉心的指导。郭老师渊博的学识，严谨的学风使我受益非浅，在这三年里对我的关心和教诲让我终生难忘。在此向导师致以崇高的敬意。
感谢我的同学们，大家一起度过了三年的美好时光。感谢他们给予我莫大的帮助和鼓励！ 最后，我要深深感谢我的父母，他们在我的成长过程中付出了巨大艰辛，默默地支持我，使我能够顺利完成各个阶段的学习和生活，并向所有关心我和给我帮助的亲朋好友表示致意。