基于ARM與μClinux系統(tǒng)的RTU設(shè)計(jì)

采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展測(cè)控硬件接口電路，是RTU設(shè)計(jì)常見(jiàn)的方法，但是這種方法設(shè)計(jì)的RTU成本高、體積大、耗電大。采用80C196等單片機(jī)設(shè)計(jì)RTU，由于單片機(jī)的運(yùn)算處理和硬件擴(kuò)展等能力較低，影響RTU的性能。而基于ARM處理器設(shè)計(jì)的RTU，硬件上具有成本低、體積小、耗電省、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；軟件上由于采用μClinux操作系統(tǒng)，有許多優(yōu)秀的應(yīng)用程序成果可以利用。正是由于這些優(yōu)勢(shì)，采用ARM和μClinux設(shè)計(jì)RTU已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)[1]。

1 RTU硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 RTU總體結(jié)構(gòu)
　　

RTU的核心部分是計(jì)算機(jī)，包括處理器、存儲(chǔ)器、人機(jī)接口等。為了執(zhí)行RTU的測(cè)控功能，需要擴(kuò)展大量外圍接口電路。不同變電所的測(cè)控對(duì)象數(shù)量差別很大。為了提高RTU的通用性，一種普遍采用的可行的辦法是將測(cè)控電路模塊化。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想以及S3C4510B[2]和μClinux[3]的特點(diǎn)，RTU硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1。

各種電路按功能設(shè)計(jì)成相應(yīng)模塊，以母板總線為接口基礎(chǔ)。
　　

主板模塊以S3C4510B為核心。主要配置是：16M字節(jié)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM(兩片HY57V651620B)，2M字節(jié)的Flash(一片AM29LV160DB)；處理器內(nèi)部集成兩個(gè)異步串行通信接口，串口0和串口1；一個(gè)10Mbps以太網(wǎng)接口；看門狗與復(fù)位電路(MAX507)；RTU母板總線驅(qū)動(dòng)電路。
　　

串口0作為控制臺(tái)，用于調(diào)試；串口1接LCD顯示屏和觸摸屏，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的人機(jī)界面。
　　

測(cè)控接口電路主要有遙控模塊、遙信模塊(開(kāi)關(guān)量采集)和遙測(cè)模塊(模擬量采集)。遙控和搖信模塊由母板總線直接擴(kuò)展。遙測(cè)模塊采用現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN)通信接口。為此在RTU母板總線上擴(kuò)展CAN總線通信模塊，實(shí)現(xiàn)與遙測(cè)模塊的通信。
　　

串口模塊(PC16C550)從母板總線上擴(kuò)展。用該模塊連接調(diào)制解調(diào)器(MODEM)，實(shí)現(xiàn)RTU遠(yuǎn)程通信。

1.2 RTU母板總線
　　

RTU母板總線是測(cè)控硬件模塊擴(kuò)展的基礎(chǔ)，又是處理器總線上的一個(gè)外設(shè)接口。
　　

為便于模塊的擴(kuò)展，RTU母板總線定義如下：數(shù)據(jù)總線H-D0～H-D7；地址總線H-A0～H-A7；地址片選信號(hào)H-S0～H-S6；讀寫控制信號(hào)H-WR和H-RD；地址鎖存控制信號(hào)H-ALE；中斷服務(wù)請(qǐng)求控制信號(hào)H-INT0～H-INT3；復(fù)位信號(hào)H-RESET。
　　

使用處理器的如下總線信號(hào)驅(qū)動(dòng)RTU母板總線：地址總線A0～A11、數(shù)據(jù)總線D0～D7、讀使能控制信號(hào)nOE、寫使能控制信號(hào)nWBE0、外設(shè)(I/O)地址片選信號(hào)nECS0，以及4根中斷控制信號(hào)線nINREQ0～nINREQ3。

1.2.1 總線驅(qū)動(dòng)電路
　　

為兼容測(cè)控接口電路較常用的器件，母板總線按照5V的TTL電平設(shè)計(jì)。S3C4510B總線是3.3V的CMOS電平。
　　

處理器總線與RTU母板總線存在速度和電平上的差別，不能直接相連，它們之間需要一個(gè)總線驅(qū)動(dòng)電路。
　　

總線驅(qū)動(dòng)電路是主板模塊的一部分。它實(shí)現(xiàn)處理器總線到RTU母板總線的接口擴(kuò)展、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)?？偩€驅(qū)動(dòng)接口電路如圖2。

采用雙電源供電的雙向總線緩沖器74LVX4245,實(shí)現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)總線與RTU母板數(shù)據(jù)總線之間的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)。
　　

三八譯碼器U1，將2K字節(jié)地址空間譯為8個(gè)地址片選信號(hào),稱為S0～S7，其中S0～S6由總線驅(qū)動(dòng)芯片74LS244驅(qū)動(dòng)后，作為RTU母板總線地址片選信號(hào)。

1.2.2 地址鎖存信號(hào)ALE實(shí)現(xiàn)
　　

一些常用的芯片，如CAN總線控制器SJA1000、時(shí)鐘芯片DS12887等，內(nèi)部帶一個(gè)地址鎖存器，需要地址鎖存信號(hào)ALE，才能實(shí)現(xiàn)接口。S3C4510B沒(méi)有ALE信號(hào)，所以母板總線擴(kuò)展ALE信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)這類器件的接口。
　　

將U1的一個(gè)地址片選信號(hào)S7取反，寫數(shù)據(jù)到S7地址，可以模擬出ALE控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)ALE的功能。

1.2.3 RTU母板總線的地址和訪問(wèn)速度
　　

RTU母板總線作為處理器的一個(gè)外設(shè)，其地址和訪問(wèn)速度由處理器決定。
　　

S3C4510B總線統(tǒng)一編址。nECS0是外設(shè)地址片選信號(hào)，占外設(shè)地址空間起始的16K字節(jié)。
　　

nECS0接U3使能端，決定RTU母板總線的基地址和訪問(wèn)速度。S3C4510B控制寄存器EXTDBWTH第20位置1、21位置0，表示nECS0按8位方式尋址。寄存器REFEXTCON的低10位設(shè)為0x360，則nECS0的基地址是0x3600000。
　　

置控制寄存器EXTACON0為0x0fff，則S3C4510B對(duì)RTU母板總線的讀寫時(shí)間是7個(gè)CPU時(shí)鐘周期。

1.3 基于RTU母板總線的模塊擴(kuò)展
　　

圖3是擴(kuò)展CAN總線通信模塊的電路原理圖。CAN總線模塊以SJA1000為核心，通信數(shù)據(jù)經(jīng)高速光電耦合器G1、G2隔離，82C250驅(qū)動(dòng)，從接線端子J2連接到外部CAN總線。P1是1W的5V轉(zhuǎn)5V的DC/DC電源模塊。CAN模塊使用H-S0作為片選信號(hào)，其基地址是0x3600000。
　　

圖3給出了SJA1000與RTU母板總線的連接關(guān)系。SJA1000總線兼容TTL電平，數(shù)據(jù)總線和中斷信號(hào)線有驅(qū)動(dòng)能力，可以直接與母板總線接口。由圖3可見(jiàn)，從RTU母板總線上擴(kuò)展測(cè)控電路簡(jiǎn)單方便。
　　

基于母板總線的其它模塊擴(kuò)展方法類似。

2 RTU軟件設(shè)計(jì)
　　

μClinux從linux操作系統(tǒng)改進(jìn)而來(lái)，適合運(yùn)行在S3C4510B這種無(wú)內(nèi)存管理單元MMU的處理器中。基于工控機(jī)-linux的RTU程序，可以很方便地移植到ARM-μClinux設(shè)計(jì)的RTU中。
　　

RTU程序的開(kāi)發(fā)，包括應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)兩部分，全部采用C語(yǔ)言編寫。

2.1 RTU應(yīng)用程序調(diào)試
　　

使用JTAG仿真器工具和相應(yīng)工具軟件，將μClinux操作系統(tǒng)燒寫到主板模塊的Flash中。μClinux在主板模塊上運(yùn)行后，可以使用μClinux提供的工具軟件在Flash上更新自身及應(yīng)用程序。
　　

連接PC機(jī)的串口與主板模塊的串口0。用Windows超級(jí)終端，與主板模塊建立交互關(guān)系。將主板模塊與PC機(jī)接入同一個(gè)局域網(wǎng)，配置合適的IP地址。
　　

使用文件傳輸服務(wù)工具FTP或TFTP，將PC機(jī)編譯的μClinux應(yīng)用程序下載到主板模塊/ramdisk目錄中，改為可執(zhí)行屬性后執(zhí)行。應(yīng)用程序中加入printf()函數(shù)，輸出執(zhí)行過(guò)程中的調(diào)試信息。

2.2 JFFS2文件系統(tǒng)應(yīng)用
　　

JFFS2(The Journalling Flash File System, version 2)是一種為嵌入式系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)文件而設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)。μClinux編譯選項(xiàng)，加入JFFS2文件系統(tǒng)。將2MB的Flash分成mtd0和mtd1兩個(gè)區(qū)，各為1MB。mtd0是從0地址開(kāi)始的存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)μClinux操作系統(tǒng)鏡像文件。mtd1用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序。μClinux的/dev目錄中，有字符型設(shè)備文件mtd0、mtd1和對(duì)應(yīng)的塊設(shè)備文件mtdblock0、mtdblock1。
　　

有了JFFS2文件系統(tǒng)支持，使用文件拷貝操作方法，即可將RTU的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在Flash上更新。RTU的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以脫離JTAG仿真器工具，給RTU開(kāi)發(fā)和維護(hù)提供了方便。

2.3 更新μClinux的步驟
　　

(1)用FTP傳輸操作系統(tǒng)文件IMAGE.ROM到/ramdisk/目錄；(2)擦除mtd0分區(qū)：eraseall /dev/mtd0；(3)將IMAGE.ROM寫入mtd0：cp/ramdisk/IMAGE.ROM/dev/mtd0。
　　

當(dāng)提示操作完成后，復(fù)位主板模塊即運(yùn)行新的操作系統(tǒng)。由于μClinux操作系統(tǒng)在SDRAM中運(yùn)行，更新操作系統(tǒng)過(guò)程中不能停電。

2.4 應(yīng)用程序在Flash上的更新與執(zhí)行
　　

(1)安裝mtd1分區(qū)：mount-t-jffs2 /dev/mtdblock1/mnt。此操作將mtd1分區(qū)按塊設(shè)備方式安裝在μClinux的/mnt目錄中。在/mnt目錄中添加的文件，存儲(chǔ)在Flash中，不會(huì)因掉電而丟失。(2)將應(yīng)用程序myapp下載到/ramdisk目錄，然后cp /ramdisk/myapp /mnt。即完成了應(yīng)用程序在Flash上的更新。(3)修改文件屬性：chmod 755 /mnt/myapp。(4)執(zhí)行文件：./mnt/myapp。
　　

μClinux啟動(dòng)后，讀取并執(zhí)行/proc/rc文件中的命令。要使myapp應(yīng)用程序自動(dòng)執(zhí)行，在rc文件中，加入
　　mount -t jffs2 /dev/mtdblock1 /mnt
　　./mnt/myapp
　　系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)安裝mtd1分區(qū)，執(zhí)行應(yīng)用程序myapp。
　　

基于本文設(shè)計(jì)的RTU，連接到一個(gè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)試運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠。證明文中設(shè)計(jì)的RTU的原理是正確的。

參考文獻(xiàn)
1 嚴(yán)亞勤，吳文傳，張伯明. 基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)RTU[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2004;24(9):27～29
2 μm_s3c4510b_rev1.pdf. www.samsung.com.
3 皺思秩.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.第1版