基于ARM7的RTU微控制器的設計

　　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)測報系統(tǒng)的RTU(遠端數(shù)據(jù)采集器)已不能適應新的要求，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，可擴展性要比較好，運行的軟件系統(tǒng)具有可移植性，可以移植到不同的硬件平臺，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)件化的設計思想構(gòu)建平臺軟件，保證軟件穩(wěn)定、可靠，擴充新業(yè)務功能時軟件結(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，平時處于守侯狀態(tài)，當有外部事件或定時處理事件時，由中斷信號喚醒CPU 進行相應的處理，處理完及時返回低功耗守侯狀態(tài)。

　　功耗設計是一個很重要的問題。因為RTU 是靠電池工作的，這就要求RTU 低功耗工作，考慮到RTU 大部分時間處于低功耗守候狀態(tài)，守候時僅CPU 在工作，其它部分已關(guān)電，因此CPU 的功耗是設計的關(guān)鍵。

　　1 硬件設計

　　1.1 CPU 選型

　　早期的遠端采集單元 RTU 一般選擇單片機，最主要的原因是實現(xiàn)簡單。但也帶來了一個問題，功能擴充性特別差，稍作改變，軟硬件就要重新設計。另外由于處理能力不強，功能的實現(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，最小待機電流為30μA。

　　1.2 RTU 微控制核設計

　　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16 位定時器，1 個硬件CAN 接口，1 個RTC 時鐘，1 個WDT 看門狗。片上和外部擴展資源共同占據(jù)4GB 地址空間，可方便實現(xiàn)外部存儲器和其它資源的擴充。

　　為了構(gòu)建一個通用的硬件平臺，對FLASH 和RAM 作適當擴展，保證RTU 模塊將來的功能升級不受限制。FLASH 程序空間擴展為4MB，RAM 擴展為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、低功耗待機工作9μW。由此構(gòu)成一個非常緊湊的微控制器核，如圖1 所示。整個處理機核的待機功耗小于50μA。

　　對于低功耗處理機核，還有一個重要的考慮是對外圍接口和接口設備的電源控制，在待機時切斷它們的供電，保證按需啟動設備，為此設計擴展了一些控制接口。

　　1.3 RTU 微控制核電源

　　微控制器核的電源設計也是關(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 的供電相當困難。負載在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)整器可實現(xiàn)，如SPX3819，其100μA負載電流時的靜態(tài)功耗為90μA。但效率太低，70-80%的電能被白白浪費了，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，而且低輸出時也有高的效率，50μA 時達60%，100mA 高達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

　　很多領域中使用μC/OS-II，如照相機業(yè)、航空業(yè)以及工業(yè)機器人等。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、完全占先式的硬實時內(nèi)核，實時性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務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)絡之類的額外服務。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。;一個基于μC/OS-II 的嵌入式應用系統(tǒng)由四部分組成: 應用程序代碼、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 等幾個文件外，還要編寫初始化啟動代碼。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)定運行。

　　3 軟件整體層次結(jié)構(gòu)

　　RTU 中的程序有應用程序、μC/OS-II 操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、硬件驅(qū)動程序，整體層次關(guān)系如圖2。μC/OS-II 沒有提供硬件驅(qū)動程序的內(nèi)核接口和用戶接口，為了讓程序移植性好，需要對設備驅(qū)動程序按類型進行統(tǒng)一的封裝，提供統(tǒng)一的編程接口，使應用程序開發(fā)人員可以不考慮具體硬件的細節(jié)就可以編程。給上層應用程序提供統(tǒng)一的系統(tǒng)設備調(diào)用接口，需要對設備的訪問操作進行抽象，應用程序通過硬件驅(qū)動程序的上層訪問抽象接口來訪問底層硬件。驅(qū)動程序的設計借鑒了Linux 系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，同時考慮到嵌入式操作系統(tǒng)的特殊性，為μC/OS-II 建立了如圖2 中所示的驅(qū)動框架模型。驅(qū)動主要分兩個層次：驅(qū)動程序的上層訪問抽象接口和硬件設備驅(qū)動層。

　　(1)上層訪問抽象接口層：這層包括抽象接口和設備管理核心數(shù)據(jù)兩部分。通過對設備訪問操作的抽象，為上層應用提供了5 個訪問接口API 函數(shù)： Open、Read、Write、Ioctrl、Close，用于打開、讀、寫、控制和關(guān)閉設備。設備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是驅(qū)動框架的核心，為系統(tǒng)中的每個硬件設備分配唯一的設備名，上層應用程序通過將設備名作為參數(shù)傳遞給API 函數(shù)實現(xiàn)對相應設備的核心管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定位尋址，實現(xiàn)對設備的統(tǒng)一訪問控制。

　　(2)硬件設備驅(qū)動模塊層：這層是硬件設備驅(qū)動模塊功能的實現(xiàn)層，對各個硬件設備的驅(qū)動在相應的硬件設備驅(qū)動模塊中完成。分別完成設備的打開、讀、寫、控制和關(guān)閉功能。

　　為了使程序具有良好的可讀性、可維性，采用了結(jié)構(gòu)化程序設計方法，即"自頂向下，逐步求精"的程序設計方法和"單入口單出口"的控制結(jié)構(gòu)，從問題本身開始，經(jīng)過逐步細化，將解決問題的步驟分解為由基本程序結(jié)構(gòu)模塊組成的結(jié)構(gòu)化程序框圖，使每一個模塊的功能變單純而明確，為下一步軟件的功能擴充和修改打下了良好的基礎。

　　4 功耗的管理設計

　　4.1 外設的功耗管理

　　功耗管理，除CPU 核的控制外，還要保證外設在需要使用時及時上電，使用完后立即關(guān)閉，從而達到降低功耗的目的。對外設的功耗管理通過IO 輸出口來控制MOS 管的通斷，從而打開或關(guān)斷外部設備的電源。

　　通信電臺的功耗最大，占系統(tǒng)耗電量的比例大，需要嚴格的計算控制。電臺設備從上電啟動到關(guān)閉分三個階段：上電啟動階段T1，數(shù)據(jù)發(fā)送階段T2，等待數(shù)據(jù)發(fā)送階段T3。

　　(1)設備上電的時機: 信道編碼后，需要發(fā)送數(shù)據(jù)時打開。

　　(2)設備啟動時間T1：設備從上電到可以發(fā)送數(shù)據(jù)需要一個過渡時間，具體的時間值與設備有關(guān)，需要看具體設備的手冊。

　　(3)數(shù)據(jù)發(fā)送時間T2：這里的數(shù)據(jù)發(fā)送時間是指數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去的時間，當數(shù)據(jù)從串口發(fā)出后，程序會返回一個數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的信息，T2 時間由接口設備自動控制。

　　圖3 通信設備功耗控制示意圖

　　(4)等待數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時間T3：有些通信設備帶有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當數(shù)據(jù)從串口發(fā)送給通信設備時，不是立即就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而是先暫存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此時如果立即關(guān)閉設備電源，可能有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完，所以需要一個等待時間。

　　(5)設備關(guān)電時機：當T3 結(jié)束后，立即關(guān)閉設備的電源。

　　實際編程時T1 的值根據(jù)具體的設備的數(shù)據(jù)手冊來確定;T3 的值也需要根據(jù)具體的設備來調(diào)試，以接收端能準確可靠的接收到數(shù)據(jù)，T3 的值最小為準。

　　4.2 CPU 核的功耗管理

　　CPU 核在沒有任務可做時要進入低功耗狀態(tài)STOP 模式，在程序中通過空閑任務連續(xù)運行狀態(tài)來判定。當所有的任務都不運行時，操作系統(tǒng)會自動運行空閑任務，當空閑任務連續(xù)運行超過一定的時間后(超過程序中需要的最大等待時間)，關(guān)閉所有的外設，讓CPU進入STOP 模式。具體的實現(xiàn)是將原有的空閑任務程序進行修改，增加一個記數(shù)器，當記數(shù)到一定的數(shù)值(即一定的時間)后，進入STOP 模式。

　　修改后的OS_TaskIdle 程序如下：

　　void OS_TaskIdle (void *pdata)

　　{

　　#if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */

　　OS_CPU_SR cpu_sr;

　　#endif

　　pdata = pdata;

　　for (;;)

　　{

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　OSIdleCtr++;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　Count = count +1;

　　If (count > 某個數(shù)值)

　　{ 將CPU 進入STOP 模式;

　　}

　　OSTaskIdleHook();

　　}

　　}

　　由于空閑任務隨時可能被別的任務搶先，當重新執(zhí)行空閑任務時，如接著搶先點繼續(xù)執(zhí)行，全局變量COUNT 沒有被清零，所以在每個任務開始運行或執(zhí)行結(jié)束后，都需要對COUNT 清零，這樣可以保證COUNT 重新記數(shù)，在FOR 循環(huán)語句中，當COUNT 記數(shù)到一定值，CPU 將進入STOP 模式。

　　5 結(jié)束語

　　本RTU 微控制器經(jīng)過試運行后，功耗滿足要求，靜態(tài)功耗小于500μA/12V，在采用10AH 的蓄電池加太陽能板(容量靈活組合)，可以保證系統(tǒng)無日照50 天正常工作。由于采用了μCOS-II 操作系統(tǒng)，并編寫了硬件驅(qū)動程序的內(nèi)核接口和用戶接口，使程序具有良好的移植性，也方便了應用程序開發(fā)人員編寫程序。

　　本文作者創(chuàng)新點：提出了一種基于ARM7 和μCOSII 的RTU 低功耗設計方案。采用ARM7 處理機，又根據(jù)RTU 設備工作特點設計了電源功耗管理軟件，實現(xiàn)了RTU 高的處理能力、低的功耗及長時間的電池供電。

　　該設計可大規(guī)模應用在全國水情測報系統(tǒng)中，將會有500 萬以上的經(jīng)濟效益。