基于ARM與μClinux的RTU設計
加入技術交流群
采用工業控制計算機，擴展測控硬件接口電路，是RTU設計常見的方法，但是這種方法設計的RTU成本高、體積大、耗電大。采用80C196等單片機設計RTU，由于單片機的運算處理和硬件擴展等能力較低，影響RTU的性能。而基于ARM處理器設計的RTU，硬件上具有成本低、體積小、耗電省、處理能力強等優點；軟件上由于采用μClinux操作系統，有許多優秀的應用程序成果可以利用。正是由于這些優勢，采用ARM和μClinux設計RTU已經成為一個熱點[1]。
1 RTU硬件電路設計
1.1 RTU總體結構
RTU的核心部分是計算機，包括處理器、存儲器、人機接口等。為了執行RTU的測控功能，需要擴展大量外圍接口電路。不同變電所的測控對象數量差別很大。為了提高RTU的通用性，一種普遍采用的可行的辦法是將測控電路模塊化。根據模塊化的設計思想以及S3C4510B[2]和μClinux[3]的特點，RTU硬件總體結構設計的原理框圖如圖1。
各種電路按功能設計成相應模塊，以母板總線為接口基礎。
主板模塊以S3C4510B為核心。主要配置是：16M字節動態隨機存儲器SDRAM(兩片HY57V651620B)，2M字節的Flash(一片AM29LV160DB)；處理器內部集成兩個異步串行通信接口，串口0和串口1；一個10Mbps以太網接口；看門狗與復位電路(MAX507)；RTU母板總線驅動電路。
串口0作為控制臺，用于調試；串口1接LCD顯示屏和觸摸屏，實現當地監控的人機界面。
測控接口電路主要有遙控模塊、遙信模塊(開關量采集)和遙測模塊(模擬量采集)。遙控和搖信模塊由母板總線直接擴展。遙測模塊采用現場總線(CAN)通信接口。為此在RTU母板總線上擴展CAN總線通信模塊，實現與遙測模塊的通信。
串口模塊(PC16C550)從母板總線上擴展。用該模塊連接調制解調器(MODEM)，實現RTU遠程通信。
1.2 RTU母板總線
RTU母板總線是測控硬件模塊擴展的基礎，又是處理器總線上的一個外設接口。
為便于模塊的擴展，RTU母板總線定義如下：數據總線H-D0～H-D7；地址總線H-A0～H-A7；地址片選信號H-S0～H-S6；讀寫控制信號H-WR和H-RD；地址鎖存控制信號H-ALE；中斷服務請求控制信號H-INT0～H-INT3；復位信號H-RESET。
使用處理器的如下總線信號驅動RTU母板總線：地址總線A0～A11、數據總線D0～D7、讀使能控制信號nOE、寫使能控制信號nWBE0、外設(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 總線驅動電路
為兼容測控接口電路較常用的器件，母板總線按照5V的TTL電平設計。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，它們之間需要一個總線驅動電路。
總線驅動電路是主板模塊的一部分。它實現處理器總線到RTU母板總線的接口擴展、電平轉換和驅動。總線驅動接口電路如圖2。
采用雙電源供電的雙向總線緩沖器74LVX4245,實現處理器數據總線與RTU母板數據總線之間的電平轉換和驅動。
三八譯碼器U1，將2K字節地址空間譯為8個地址片選信號,稱為S0～S7，其中S0～S6由總線驅動芯片74LS244驅動后，作為RTU母板總線地址片選信號。
1.2.2 地址鎖存信號ALE實現
一些常用的芯片，如CAN總線控制器SJA1000、時鐘芯片DS12887等，內部帶一個地址鎖存器，需要地址鎖存信號ALE，才能實現接口。S3C4510B沒有ALE信號，所以母板總線擴展ALE信號，才能實現這類器件的接口。
將U1的一個地址片選信號S7取反，寫數據到S7地址，可以模擬出ALE控制信號，并實現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外設，其地址和訪問速度由處理器決定。
S3C4510B總線統一編址。nECS0是外設地址片選信號，占外設地址空間起始的16K字節。
nECS0接U3使能端，決定RTU母板總線的基地址和訪問速度。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位設為0x360，則nECS0的基地址是0x3600000。
置控制寄存器EXTACON0為0x0fff，則S3C4510B對RTU母板總線的讀寫時間是7個CPU時鐘周期。
1.3 基于RTU母板總線的模塊擴展
圖3是擴展CAN總線通信模塊的電路原理圖。CAN總線模塊以SJA1000為核心，通信數據經高速光電耦合器G1、G2隔離，82C250驅動，從接線端子J2連接到外部CAN總線。P1是1W的5V轉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母板總線的連接關系。SJA1000總線兼容TTL電平，數據總線和中斷信號線有驅動能力，可以直接與母板總線接口。由圖3可見，從RTU母板總線上擴展測控電路簡單方便。
基于母板總線的其它模塊擴展方法類似。
2 RTU軟件設計
μClinux從linux操作系統改進而來，適合運行在S3C4510B這種無內存管理單元MMU的處理器中。基于工控機-linux的RTU程序，可以很方便地移植到ARM-μClinux設計的RTU中。
RTU程序的開發，包括應用程序開發和驅動程序開發兩部分，全部采用C語言編寫。
2.1 RTU應用程序調試
使用JTAG仿真器工具和相應工具軟件，將μClinux操作系統燒寫到主板模塊的Flash中。μClinux在主板模塊上運行后，可以使用μClinux提供的工具軟件在Flash上更新自身及應用程序。
連接PC機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系。將主板模塊與PC機接入同一個局域網，配置合適的IP地址。
使用文件傳輸服務工具FTP或TFTP，將PC機編譯的μClinux應用程序下載到主板模塊/ramdisk目錄中，改為可執行屬性后執行。應用程序中加入printf()函數，輸出執行過程中的調試信息。
2.2 JFFS2文件系統應用
JFFS2(The Journalling Flash File System, version 2)是一種為嵌入式系統Flash存儲文件而設計的文件系統。μClinux編譯選項，加入JFFS2文件系統。將2MB的Flash分成mtd0和mtd1兩個區，各為1MB。mtd0是從0地址開始的存儲空間，用于存儲μClinux操作系統鏡像文件。mtd1用于存儲應用程序。μClinux的/dev目錄中，有字符型設備文件mtd0、mtd1和對應的塊設備文件mtdblock0、mtdblock1。
有了JFFS2文件系統支持，使用文件拷貝操作方法，即可將RTU的操作系統和應用程序在Flash上更新。RTU的開發和現場調試，可以脫離JTAG仿真器工具，給RTU開發和維護提供了方便。
2.3 更新μClinux的步驟
(1)用FTP傳輸操作系統文件IMAGE.ROM到/ramdisk/目錄；(2)擦除mtd0分區：eraseall /dev/mtd0；(3)將IMAGE.ROM寫入mtd0：cp/ramdisk/IMAGE.ROM/dev/mtd0。
當提示操作完成后，復位主板模塊即運行新的操作系統。由于μClinux操作系統在SDRAM中運行，更新操作系統過程中不能停電。
2.4 應用程序在Flash上的更新與執行
(1)安裝mtd1分區：mount-t-jffs2 /dev/mtdblock1/mnt。此操作將mtd1分區按塊設備方式安裝在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)將應用程序myapp下載到/ramdisk目錄，然后cp /ramdisk/myapp /mnt。即完成了應用程序在Flash上的更新。(3)修改文件屬性：chmod 755 /mnt/myapp。(4)執行文件：./mnt/myapp。
μClinux啟動后，讀取并執行/proc/rc文件中的命令。要使myapp應用程序自動執行，在rc文件中，加入
mount -t jffs2 /dev/mtdblock1 /mnt
./mnt/myapp
系統啟動后，自動安裝mtd1分區，執行應用程序myapp。
基于本文設計的RTU，連接到一個電網數據采集與監控系統，經試運行，性能穩定可靠。證明文中設計的RTU的原理是正確的。
參考文獻
1 嚴亞勤，吳文傳，張伯明. 基于嵌入式Linux的網絡RTU[J]. 電力自動化設備,2004;24(9):27～29
2 μm_s3c4510b_rev1.pdf. www.samsung.com.
3 皺思秩.嵌入式Linux設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.第1版
評論