基于ARM7的RTU微控制器的設計

引言

隨著我國在水情數據采集系統的信息化和現代化步伐的加快，需要采集的數據種類增多，采集的站點數增加，對數據采集的速度和質量都提出了新的要求，傳統的水情數據測報系統的RTU（遠端數據采集器）已不能適應新的要求，亟需開發新的產品。

新開發的RTU，其處理能力要比較強，可擴展性要比較好，運行的軟件系統具有可移植性，可以移植到不同的硬件平臺，可以根據需要配置不同的傳感器。為此技術上選用成熟可靠的RTOS 和層次化、構件化的設計思想構建平臺軟件，保證軟件穩定、可靠，擴充新業務功能時軟件結構體系保持不變。

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，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。

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，守候時僅CPU 在工作，其它部分已關電，因此CPU 的功耗是設計的關鍵。

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 內核的RISC 處理器，具有三級流水線指令結構，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 內核的32 位處理器，片上有豐富的資源：256+16K 片上 FLASH，64K 片內 RAM，4 路12 位AD，4 路硬件串行收發接口， 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4GB 地址空間，可方便實現外部存儲器和其它資源的擴充。

為了構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。

一般開關電源甚至模塊電源都有較大的靜態功耗（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 自身靜態功耗小于50μA 的開關電源目前很難找到。有少數專供超低功耗模式CPU供電的LDO電壓調整器可實現，如SPX3819，其100μA負載電流時的靜態功耗為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穩壓器LT3481。它靜態功耗僅為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 操作系統的移植

很多領域中使用μC/OS-II，如照相機業、航空業以及工業機器人等。從8 位到64 位，μC/OS-II 已經在40 多種不同架構的微處理器上使用。μC/OS-II 的功能和函數經過考驗和測試，具有足夠的安全性與穩定性。為此，操作系統選擇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核，實時性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任務調度、任務管理、時間管理、內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、網絡之類的額外服務。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 開發板的這部分代碼完成了移植，并能在自研的核心板上穩定運行。