基于ARM7的RTU微控制器的設(shè)計(jì)

引言

隨著我國在水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息化和現(xiàn)代化步伐的加快，需要采集的數(shù)據(jù)種類增多，采集的站點(diǎn)數(shù)增加，對數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量都提出了新的要求，傳統(tǒng)的水情數(shù)據(jù)測報(bào)系統(tǒng)的RTU（遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集器）已不能適應(yīng)新的要求，亟需開發(fā)新的產(chǎn)品。

新開發(fā)的RTU，其處理能力要比較強(qiáng)，可擴(kuò)展性要比較好，運(yùn)行的軟件系統(tǒng)具有可移植性，可以移植到不同的硬件平臺(tái)，可以根據(jù)需要配置不同的傳感器。為此技術(shù)上選用成熟可靠的RTOS 和層次化、構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想構(gòu)建平臺(tái)軟件，保證軟件穩(wěn)定、可靠，擴(kuò)充新業(yè)務(wù)功能時(shí)軟件結(jié)構(gòu)體系保持不變。

RTU 對外有各種類型的傳感器接口及通信接口，平時(shí)處于守侯狀態(tài)，當(dāng)有外部事件或定時(shí)處理事件時(shí)，由中斷信號(hào)喚醒CPU 進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完及時(shí)返回低功耗守侯狀態(tài)。

功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的問題。因?yàn)镽TU 是靠電池工作的，這就要求RTU 低功耗工作，考慮到RTU 大部分時(shí)間處于低功耗守候狀態(tài)，守候時(shí)僅CPU 在工作，其它部分已關(guān)電，因此CPU 的功耗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 CPU 選型

早期的遠(yuǎn)端采集單元 RTU 一般選擇單片機(jī)，最主要的原因是實(shí)現(xiàn)簡單。但也帶來了一個(gè)問題，功能擴(kuò)充性特別差，稍作改變，軟硬件就要重新設(shè)計(jì)。另外由于處理能力不強(qiáng)，功能的實(shí)現(xiàn)也受到限制。為此，我們選擇近期上市的嵌入式CPU。

我們選擇的原則是性價(jià)比好，功耗低。ARM7 系列處理器能較好滿足需要，目前生產(chǎn)廠商也較多，有ATEMEL 的AT91SAM7X256； 恩智浦NXP 的LPC2214 ；ST 微電子的ST710FZ2；TI 的MSP430 等，通過綜合比較我們認(rèn)為，ST 微電子的ST710FZ2 比較好，該CPU 為32 位ARM7 內(nèi)核的RISC 處理器，具有三級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)，是一種高性能、低成本的方案。該CPU 具備多種省電模式，最小待機(jī)電流為30μA。

1.2 RTU 微控制核設(shè)計(jì)

STR710FZ2T6 是一顆基于ARM7TDMI 內(nèi)核的32 位處理器，片上有豐富的資源：256+16K 片上 FLASH，64K 片內(nèi) RAM，4 路12 位AD，4 路硬件串行收發(fā)接口， 5 個(gè)16 位定時(shí)器，1 個(gè)硬件CAN 接口，1 個(gè)RTC 時(shí)鐘，1 個(gè)WDT 看門狗。片上和外部擴(kuò)展資源共同占據(jù)4GB 地址空間，可方便實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器和其它資源的擴(kuò)充。

為了構(gòu)建一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，對FLASH 和RAM 作適當(dāng)擴(kuò)展，保證RTU 模塊將來的功能升級(jí)不受限制。FLASH 程序空間擴(kuò)展為4MB，RAM 擴(kuò)展為512KB。FLASH 選用SST 公司的SST39VF3201，容量為32Mb/16 位、低功耗模式典型3μA。RAM 選用ISSI 公司的IS61WV51216，容量為4Mb/16 位、低功耗待機(jī)工作9μW。由此構(gòu)成一個(gè)非常緊湊的微控制器核，如圖1 所示。整個(gè)處理機(jī)核的待機(jī)功耗小于50μA。

對于低功耗處理機(jī)核，還有一個(gè)重要的考慮是對外圍接口和接口設(shè)備的電源控制，在待機(jī)時(shí)切斷它們的供電，保證按需啟動(dòng)設(shè)備，為此設(shè)計(jì)擴(kuò)展了一些控制接口。

1.3 RTU 微控制核電源

微控制器核的電源設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵的一步。RTU 模塊主控CPU 供電部分有其特殊的需求，分為工作模式和睡眠模式兩種，工作模式下的電流100mA 左右，而睡眠模式下的電流僅為50μA。兩種模式的差異導(dǎo)致了CPU 供電存在一定的難度。

一般開關(guān)電源甚至模塊電源都有較大的靜態(tài)功耗（40mA 左右），選用模塊電源對主控CPU 的供電相當(dāng)困難。負(fù)載在50μA~500mA 自身靜態(tài)功耗小于50μA 的開關(guān)電源目前很難找到。有少數(shù)專供超低功耗模式CPU供電的LDO電壓調(diào)整器可實(shí)現(xiàn)，如SPX3819，其100μA負(fù)載電流時(shí)的靜態(tài)功耗為90μA。但效率太低，70-80%的電能被白白浪費(fèi)了，不適合蓄電池供電。基于以上原因，對CPU 的供電另選用一款降壓型的開關(guān)穩(wěn)壓器LT3481。它靜態(tài)功耗僅為50μA，而且低輸出時(shí)也有高的效率，50μA 時(shí)達(dá)60%，100mA 高達(dá)86%，特別適合微控制器核供電，如圖1 蓄電池直接連到LT3481，向CPU 提供電源。

2 操作系統(tǒng)的移植

很多領(lǐng)域中使用μC/OS-II，如照相機(jī)業(yè)、航空業(yè)以及工業(yè)機(jī)器人等。從8 位到64 位，μC/OS-II 已經(jīng)在40 多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。μC/OS-II 的功能和函數(shù)經(jīng)過考驗(yàn)和測試，具有足夠的安全性與穩(wěn)定性。為此，操作系統(tǒng)選擇μC/OS-II。μC/OS-II 是一種開放源代碼的單用戶多任務(wù)、完全占先式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，實(shí)時(shí)性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等功能，沒有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)之類的額外服務(wù)。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和開源性，用戶可以自己添加所需的各種服務(wù)。;一個(gè)基于μC/OS-II 的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)由四部分組成: 應(yīng)用程序代碼、配置程序、移植代碼、核心代碼。操作系統(tǒng)移植通過編寫移植代碼來完成。除了編寫OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C 等幾個(gè)文件外，還要編寫初始化啟動(dòng)代碼。我們通過改寫周立功SmartARM2210 開發(fā)板的這部分代碼完成了移植，并能在自研的核心板上穩(wěn)定運(yùn)行。