基于ARM9的RTU設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的新型通用一體化RTU的設(shè)計(jì)方案。介紹了基于ARM9處理器并采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸采用的Modbusi通信協(xié)議和硬件功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。硬件功能模塊主要包括8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出、8路模擬量輸入、RS232通信、RS485通信和以太網(wǎng)通信等模塊。文中還提出了從站RTU的軟件設(shè)計(jì)方法。與普通RTU相比，該方法具有更大的存儲(chǔ)容量，更強(qiáng)的計(jì)算功能，更簡(jiǎn)便的編程與開發(fā)能力和強(qiáng)大的通信組網(wǎng)能力。
關(guān)健詞：信號(hào)采集；現(xiàn)場(chǎng)控制；RTU；μC／OS-II；Modbus

0 引言
    RTU(Remote Tenninal unit)是一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，RTU通常具有優(yōu)良的通訊能力和更大的功能，使得RTU產(chǎn)品在SCADA系統(tǒng)中得列了大量的應(yīng)用。RTU應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V、包括電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等諸多領(lǐng)域?；贏RM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)，軟件上采用μC／OS-II操作系統(tǒng)，有許多優(yōu)秀的應(yīng)用程序可以利用。本文將介紹一種基于ARM9和μC／OS-II的RTU硬件、軟件設(shè)計(jì)方法。

1 RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于ARM9的新型RTU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以S3C2440A為主控制器，主要包括數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、存儲(chǔ)器模塊、E2PROM和測(cè)溫模塊等等。軟件采用μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了TCP＼IP、RS232、RS485等多種通信方式。

    為使該RTU適用于復(fù)雜苛刻的環(huán)境、滿足工業(yè)控制的指標(biāo)和需求，在各個(gè)模塊與MCU之間加上適當(dāng)?shù)母綦x保護(hù)器件，同時(shí)給各個(gè)模塊和MCU供電的部分電源模塊也要選取隔離型的DC-DC電源，還有在主電源端口和通信端口處加上適當(dāng)?shù)姆览妆Ｗo(hù)電路和ESD保護(hù)電路，使得該RTU各個(gè)模塊之間基本上互不干擾，更能適用于惡劣的環(huán)境。
1．1 主控制器的選擇
    RTU的處理芯片采用S3C2440A，S3C2440A的內(nèi)核為ARM920T，并且片內(nèi)集成了RS232、RS485、SPI、IIC、通用I／O口等外圍設(shè)備接口，并具有低價(jià)格、低功耗、高性能等特點(diǎn)，能夠滿足多種通信協(xié)議，如Modbus等通信協(xié)議。
1．2 數(shù)字量輸入輸出模塊設(shè)計(jì)
    該RTU具有8路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出。單路數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出原理圖如圖2所示。數(shù)字量輸入的直流有效電壓為10～48 V，具有光耦隔離，隔離電壓的有效值為2 500 V。數(shù)字量輸出的直流有效電壓為10～36V，也具有光耦隔離，隔離電壓的有效值為2 500V。

    對(duì)于數(shù)字量輸入，可在輸入端加入適當(dāng)?shù)臑V波電容、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、整流二極管和電阻等元件組成的電路，然后和光耦隔離器PS2801串聯(lián)。值得注意的是，和光耦隔離器串聯(lián)的電阻R3、并聯(lián)的電阻R4選取要恰當(dāng)，通過調(diào)整其電阻值，可以得到合適的輸入電壓閾值。數(shù)字量輸入電壓通過光耦隔離之后，轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號(hào)至MCU?？紤]到數(shù)字量輸入可為開關(guān)量輸入和脈沖信號(hào)輸入，應(yīng)選用MCU的外部中斷功能引腳作為數(shù)字量輸入管腳，這樣MCU才能及時(shí)響應(yīng)數(shù)字量輸入。
    對(duì)于數(shù)字量輸出(電壓輸出)，MCU通過光耦隔離器PS2801控制固態(tài)繼電器VN3401SP的輸出。數(shù)字量輸出可分為開關(guān)量輸出和脈沖輸出。對(duì)于開關(guān)量輸出，可以通過MCU的普通GPIO引腳來實(shí)現(xiàn)控制；對(duì)于脈沖輸出，可以使用MCU的PWM引腳來實(shí)現(xiàn)控制。
1．3 模擬量輸入模塊
    當(dāng)MCU內(nèi)部集成的ADC不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要外加一個(gè)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的ADC，外部ADC采集的數(shù)據(jù)可以通過多種總線傳輸?shù)組CU(如IIC、SPI等)。

    該RTU具有8路模擬量輸入，模擬量輸入原理圖如圖3所示。模擬量輸入范圍為直流4～20 mA或0～5 V，采用TI公司的ADS7952(采樣頻率為1 MHz，12位分辨率，20 MHz的SPI串行接口)，在模擬量輸入前端加入適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路(由濾波電容、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、精密電阻、高速運(yùn)放、穩(wěn)壓管等元件組成的電路)，ADS7952的數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線傳輸，在ADC和MCU的SPI總線上加上一個(gè)磁耦隔離器ADuM1401，注意磁耦隔離器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率要大于SPI的傳輸波特率。
1．4 通信模塊
    新型RTU具有強(qiáng)大的通信組網(wǎng)能力，并且兼容多種通信方式，如TCP／IP、RS232、RS485通信等等。該RTU有1個(gè)RS232通信接口、1個(gè)RS4 85通信接口和1個(gè)以太網(wǎng)接口。其中，RS232通信接口還可以外接一個(gè)ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。
    MCU的UART端口通過磁耦隔離器ADuM1402分別與RS232收發(fā)器MAX3232E和RS485收發(fā)器SN65HVD-1176D相連。由于RS232／RS485通信均為有線通信，在惡劣的環(huán)境下，例如通信電纜受到雷擊干擾，收發(fā)器可能由于過壓而燒壞，甚至?xí)绊慚CU的正常工作，所以應(yīng)該在收發(fā)器接線端子上加上合適的防雷保護(hù)電路。防雷保護(hù)電路可以分為三層保護(hù)：第一層用三個(gè)玻璃放電管組成一個(gè)三角形電路作為一級(jí)保護(hù)，可以把雷擊電壓降到數(shù)百伏；第二層用耐高壓的TVS管，可以把傳輸線上的電壓降到數(shù)十伏；第三層加上適當(dāng)?shù)碾姼谢虮ｋU(xiǎn)絲，用于進(jìn)一步保護(hù)收發(fā)器。RS232／RS485通信模塊的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

    MCU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、若干控制信號(hào)線與以太網(wǎng)控制器DM9000相連，以太網(wǎng)控制器的兩對(duì)差分信號(hào)線接到合適的網(wǎng)絡(luò)變壓器上，同時(shí)為了保護(hù)以太網(wǎng)控制器，在網(wǎng)絡(luò)變壓器跟RJ45網(wǎng)口之間加入一個(gè)合適的ESD保護(hù)電路，可以消除外部環(huán)境的影響。以太網(wǎng)通信模塊圖工作原理如圖5所示。

1．5 存儲(chǔ)器模塊和溫度測(cè)量模塊
    存儲(chǔ)器包括SDRAM、Norflash和Nandflash。SDRAM用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)，確保程序能正常運(yùn)行；Norflash用于存儲(chǔ)程序；Nandflash用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在RTU突然掉電或通信網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，Nandflash能把重要的數(shù)據(jù)信息保存起來，待到RTU再次上電并且網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，再把數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送出去。
    E2PROM可以用來存儲(chǔ)RTU的初始配置信息，包括RTU設(shè)備基本屬性、IP地址信息、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、串口參數(shù)、主從模式選擇和AD采樣配置等信息。RTU上電運(yùn)行時(shí)，先從E2PROM中讀取配置信息，RTU初始化各個(gè)模塊之后才能正常工作。
    測(cè)溫模塊可以用來測(cè)量RTU的工作溫度，并實(shí)時(shí)地或定時(shí)地向上傳輸其溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控。

2 RTU軟件設(shè)計(jì)
    該新型RTU內(nèi)嵌μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用Modbus協(xié)議。μC／OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，適用于工業(yè)控制中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通信采用主-從方式。Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。 Modbus／TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗(yàn)，因?yàn)門CP協(xié)議是一個(gè)面向連接的可靠協(xié)議。在本文中，作為主站的RTU，內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II實(shí)現(xiàn)上層Modbus／TCP協(xié)議與Modbus／RTU協(xié)議之間的通信(即上位機(jī)與計(jì)算機(jī)、上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信)。而作為從站的RTU，內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II實(shí)現(xiàn)Modbus／RTU協(xié)議通信(即上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信)，對(duì)所連接的被測(cè)設(shè)備進(jìn)行控制信息的輸入輸出以及RTU采集和輸出模塊的控制。以下主要介紹作為從站的RTU軟件設(shè)計(jì)。
2．1 Modbus／RTU協(xié)議
    Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議。在同一時(shí)刻，只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)連接于總線，一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(最大編號(hào)為247)連接于同一個(gè)串行總線。Modbus通信總是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起。子節(jié)點(diǎn)在沒有收到來自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，從不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)之間從不會(huì)互相通信。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起一個(gè)Modbus事務(wù)處理。當(dāng)設(shè)備使用RTU模式在Modbus串行鏈路通信時(shí)，報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4位十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)具有是較高的數(shù)據(jù)密度，而且在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每個(gè)報(bào)文必須以連續(xù)的字符流傳送。在RTU模式，報(bào)文幀由時(shí)長(zhǎng)至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1．5個(gè)字符時(shí)間，則報(bào)文幀被認(rèn)為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點(diǎn)丟棄。RTU接收驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，由于1．5個(gè)字符時(shí)間(t1．5)和3．5個(gè)字符時(shí)間(t3．5)的定時(shí)，隱含著大量的對(duì)中斷的管理。在高通信速率下，這導(dǎo)致CPU負(fù)擔(dān)加重。因此，在通信速率等于或低于19 200 b／s時(shí)，這兩個(gè)定時(shí)必須嚴(yán)格遵守；對(duì)于波特率大于19 200 b／s的情形，應(yīng)該使用2個(gè)定時(shí)的固定值：建議的字符間超時(shí)時(shí)間(t1．5)為750μs，幀間的超時(shí)時(shí)間(t3．5)為1．750ms。
2．2 Modbus數(shù)據(jù)模型
    在一系列不同平臺(tái)上，Modbus數(shù)據(jù)模式有不同的特性，基本平臺(tái)有離散輸入、線圈、輸入寄存器和保持寄存器。在該新型RTU系統(tǒng)中，事先要與主站RTU協(xié)商定義好一個(gè)離散輸入對(duì)應(yīng)表、線圈對(duì)應(yīng)表、輸入寄存器對(duì)應(yīng)表、保持寄存器對(duì)應(yīng)表。主站RTU和從站RTU根據(jù)對(duì)應(yīng)表中的數(shù)據(jù)位執(zhí)行相應(yīng)的操作。主站RTU讀離散輸入即讀取從站RTU數(shù)字量輸入狀態(tài)；主站RTU寫線圈即控制從站RTU數(shù)字量輸出(繼電器輸出)；從站RTU模擬量輸入(AD采集的數(shù)據(jù))存儲(chǔ)于輸入寄存器中，供主站RTU讀?。褐髡綬TU通過寫保持寄存器可以給從站RTU發(fā)送配置信息，從站RTU讀保持寄存器執(zhí)行相應(yīng)操作。用來存儲(chǔ)從站RTU的初始配置信息的E2PROM，就是通過讀取相應(yīng)的保持寄存器中數(shù)據(jù)，寫入到E2PROM中，再對(duì)RTU重新配置。
2．3 Modbus從站
    Modbus主站和Modbus從站是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，主站為上位機(jī)(客戶機(jī))，而從站為下位機(jī)(服務(wù)機(jī))。主站和從站都有相同的數(shù)據(jù)鏈路層，并且它們的幀報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是相同的。Modbus從站服務(wù)任務(wù)是從站協(xié)議的核心組成部分，它的主要工作是處理Modbus主站點(diǎn)功能請(qǐng)求，返回主站請(qǐng)求的保持寄存器、輸入寄存器、線圈和離散量輸入等值，或接收并保存主站寫入的保持寄存器和線圈等值；另外，Modbus從站的應(yīng)用程序也會(huì)讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)的寄存器。從站RTU程序流程：首先，初始化目標(biāo)板、μC／OS-II、系統(tǒng)時(shí)基等等；接著，創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)初始任務(wù)(優(yōu)先級(jí)最高)和Modbus從站服務(wù)程序；再接著開始運(yùn)行任務(wù)?；?mu;C／OS-II的從站RTU程序流程圖如圖6所示。

2．4 系統(tǒng)初始任務(wù)Task0
    從站RTU經(jīng)過系統(tǒng)基本初始化之后，還需要進(jìn)一步的配置才能正常工作，而這部分的工作就在系統(tǒng)初始任務(wù)Task0中實(shí)現(xiàn)。Task0主要完成的工作有：讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)，獲取各種配置信息；根據(jù)配置信息初始化各種硬件驅(qū)動(dòng)(如Modbus傳輸波特率、RS232／RS485通信選擇、外部中斷功能引腳選擇、SPI和IIC總線初始化等等)；根據(jù)配置需求有選擇地創(chuàng)建模擬量輸入量任務(wù)Task2(AD采集任務(wù))、數(shù)字量輸入任務(wù)Task3、數(shù)字量輸出任務(wù)Task4、讀保持寄存器配置任務(wù)Task5和測(cè)溫任務(wù)Task6：最后讓一個(gè)LED指示燈定時(shí)閃爍表示RTU工作正常；接著進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，切換到已創(chuàng)建的、優(yōu)先級(jí)高的其它就緒任務(wù)中運(yùn)行并且實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷(數(shù)字量輸入)。系統(tǒng)初始任務(wù)Task0程序流程圖如圖7所示。

    系統(tǒng)中的Task2主要完成AD采集任務(wù)Task2，本系統(tǒng)采用TI公司的ADS7952。ADS7952的AD采樣率是根據(jù)其SPI傳輸波特率來?yè)Q算的，改變MCU(S3C2440A)的SPI底層驅(qū)動(dòng)程序中的SPI分頻值就能實(shí)現(xiàn)不同AD采樣率的選擇。ADS7952可以根據(jù)E2PROM中的配置信息(采樣率、通道數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù))工作，也可以根據(jù)Task5中讀取保持寄存器對(duì)應(yīng)表中的數(shù)據(jù)位來實(shí)時(shí)更新配置。
    Task3執(zhí)行數(shù)字量輸入任務(wù)，數(shù)字量輸入包括開關(guān)量輸入和脈沖信號(hào)量輸入，可以把這兩種功能的端口分開，也可以把這兩種功能復(fù)用合并。功能復(fù)用合并實(shí)現(xiàn)方法：數(shù)字量輸入口對(duì)應(yīng)的MCU管腳先作為普通GPIO引腳，讀取其GPIO狀態(tài)寄存器獲取高低電平狀態(tài)(即開關(guān)狀態(tài))，把開關(guān)狀態(tài)寫入Modbus離散輸入寄存器中，接著把管腳功能從GPIO引腳切換到外部中斷引腳，用于隨時(shí)獲取脈沖信號(hào)的輸入，在外部中斷函數(shù)中可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)并且把計(jì)數(shù)值寫入Modbus輸入寄存器中。該任務(wù)執(zhí)行時(shí)間必須短，代碼必須簡(jiǎn)練，不能在其中加入延時(shí)之類的函數(shù)，任務(wù)掛起的時(shí)間也不能太長(zhǎng)，不然會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)輸入數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼。
    Task4主要完成數(shù)字量輸出任務(wù)。主站RTU可以通過寫線圈寄存器來控制從站RTU固態(tài)繼電器的輸出，也可以根據(jù)要求讓從站RTU定時(shí)中斷控制繼電器輸出PWM信號(hào)。同時(shí)主站RTU可以通過讀線圈寄存器來獲取從站RTU當(dāng)前繼電器的電平輸出狀態(tài)。
    Task5可執(zhí)行讀保持寄存器配置任務(wù)。當(dāng)Modbus保持寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)保持寄存器對(duì)應(yīng)表(與主站協(xié)商定義的一個(gè)從站配置表)對(duì)從站RTU進(jìn)行相應(yīng)配置，包括從站基本信息、AD采樣率、AD通道數(shù)、AD采樣點(diǎn)數(shù)、有線無線傳輸選擇、UART波特率等等，同時(shí)把新的配置信息寫入E2PROM中。配置代碼應(yīng)該放在μC／OS-II臨界區(qū)中，臨界區(qū)中不響應(yīng)中斷，這樣才能保證新配置的程序能正常地運(yùn)行。
    Task6執(zhí)行測(cè)溫任務(wù)。當(dāng)RTU工作環(huán)境溫度過高時(shí)，可能會(huì)影響RTU的正常工作，測(cè)溫任務(wù)可以實(shí)時(shí)或定時(shí)把從站RTU工作溫度值寫入Mod bus輸入寄存器中，供主站RTU讀取。

3 結(jié)語
    本文主要介紹了一種基于ARM9的RTU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)RTU硬件系統(tǒng)中的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、存儲(chǔ)器模塊、E2PROM和測(cè)溫模塊等等，同時(shí)提出了基于此硬件系統(tǒng)的RTU從站軟件設(shè)計(jì)方法。RTU從站采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus／RTU通信協(xié)議。該RTU可以應(yīng)用于市政、能源、交通設(shè)施、環(huán)境、氣象、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)等有遠(yuǎn)程終端測(cè)控站點(diǎn)需求的行業(yè)。