基于ARM與μClinux的RTU設(shè)計(jì)

摘要：基于ARM處理器S3C4510B和μClinux的RTU總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、RTU硬件擴(kuò)展方法以及在μCllinux環(huán)境下開發(fā)RTU應(yīng)用程序的經(jīng)驗(yàn)。定義了一種RTU母板總線，介紹了由處理器總線驅(qū)動RTU母板總線的接口電路原理以及RTU母板總線上擴(kuò)展硬件模塊的方法。 關(guān)鍵詞：RTU S3C4510B μClinux 嵌入式系統(tǒng) 在電力系統(tǒng)變電所以及電氣化鐵道牽引變電所遠(yuǎn)動控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端(RTU)是關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙信等功能。 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展測控硬件接口電路，是RTU設(shè)計(jì)常見的方法，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，采用ARM和μClinux設(shè)計(jì)RTU已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。 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、存儲器、人機(jī)接口等。為了執(zhí)行RTU的測控功能，需要擴(kuò)展大量外圍接口電路。不同變電所的測控對象數(shù)據(jù)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控電路模塊化。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想以及S3C4510B和μClinux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)動態(tài)隨機(jī)存儲器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)動電路。 串口0作為控制臺，用于調(diào)試;串口1接LCD顯示屏和觸摸展，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的人機(jī)界面。 測控接口電路主要有遙控模塊、遙信模塊(開關(guān)量采集)和遙測模塊(模擬量采集)。遙控和遙信模塊由母板總線直接擴(kuò)展。遙測模塊采用現(xiàn)場總線(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H-S0～H-S6;讀寫操作信號 H-WR和H-RD;地址鎖存控制信號H-ALE;中斷服務(wù)請求控制信號H-INT0～H-INT3;復(fù)位信號H-RESET。 使用處理器的如下總線信號驅(qū)動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nOE、寫使能控制信號nWBE0、外設(shè)(I/O)地址片選信號nECS0，以及4根中斷控制信號線nINREQ0～nINREQ3。 1.2.1 總線驅(qū)動電路 為兼容測控接口電路較常用的器件，母板總線控照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)動電路。 總線驅(qū)動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?？偩€驅(qū)動接口電路如圖2。 采用雙電源供電的雙向總線能動沖區(qū)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。 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，稱為S0～S7，其中S0～S6由總線驅(qū)動芯片74LS244驅(qū)動后，作為RTU母板總線地址片選信號。 1.2.2 地址鎖存信號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ALE，才能實(shí)現(xiàn)接口。S3C4510B沒有ALE信號，所以母板總線擴(kuò)展ALE信號，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S7取反，寫數(shù)據(jù)到S7地址，可以模擬出ALE控制信號，并實(shí)現(xiàn)ALE的功能。 1.2.3 RTU母板總線的地址和訪問速度 RTU母板總線作為處理器的一個(gè)外設(shè)，其地址和訪問速度由處理器決定。 圖2 S3C4510B總線統(tǒng)一編址。nECS0是外設(shè)地址片選信號，占外設(shè)地址空間起始的16K字節(jié)。 nECS0接U3使能端，決定TU母板總線的基地址和訪問速度。S3C4510B控制寄存器2EXTDBWTH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。 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為信心，通信數(shù)據(jù)經(jīng)高速光電耦合器G1、G2隔離，82C250驅(qū)動，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，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)總線和中斷信號線有驅(qū)動能力，可以直接與母板總線接口。由圖3可見，從RTU母板總線上擴(kuò)展測控電路簡單方便。 基于母板總線的其它操作擴(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，適合運(yùn)行在S3C4510B這種無內(nèi)破例管理單元MMU的處理器中?；诠た貦C(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程序的開發(fā)，包括應(yīng)用程序開發(fā)和驅(qū)動程序開發(fā)兩部分，全部采用C語言編寫。 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)行過程中的測試信息。 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)，各個(gè)1MB。Mtd0是從0地址開始的存儲空間，用于存儲μClinux操作系統(tǒng)鏡像文件。Mtd1用于存儲應(yīng)用程序。μClinux的 /dev目錄中，有字符設(shè)備文件mtd0、mtd1和對應(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的開發(fā)和現(xiàn)場調(diào)試，可以脫離JTAG仿真器工具，給RTU開發(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)主SDRAM中執(zhí)行，更新操作系統(tǒng)過程中不能停電。 圖3 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/mtdblock/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，存儲在Flash中，不會因掉電而丟失。(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：chmod755/mnt/myapp. (4)執(zhí)行文件：./mnt/myapp。 μClinux啟動后，讀取并執(zhí)行/proc/rc文件中的命令。要使myapp應(yīng)用程序自動執(zhí)行，在rc文件中，加入 mount -t jffs2/dev/mtdblock1/mnt ./mnt/myapp 系統(tǒng)啟動后，自動安裝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。