基于ARM与μClinux的RTU设计

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在电力系统变电所以及电气化铁道牵引变电所远动控制系统中，远程数据采集与监控终端(RTU)是关键设备，实现遥控、遥测、遥信等功能。　　采用工业控制计算机，扩展测控硬件接口电路，是RTU设计常见的方法，但是这种方法设计的RTU成本高、体积大、耗电大。采用80C196等单片机设计RTU，由于单片机的运算处理和硬件扩展等能力较低，影响RTU的性能。而基于arm处理器设计的RTU，硬件上具有成本低、体积小、耗电省、处理能力强等优点；软件上由于采用μClinux操作系统，有许多优秀的应用程序成果可以利用。正是由于这些优势，采用arm和μClinux设计RTU已经成为一个热点[1]。
4 i' Y' U( x _, i- h　　1 RTU硬件电路设计
5 r9 b, A0 | r( ~( b7 e; O　　1.1 RTU总体结构
T/ x9 e" g8 y5 P# g　　RTU的核心部分是计算机，包括处理器、存储器、人机接口等。为了执行RTU的测控功能，需要扩展大量外围接口电路。不同变电所的测控对象数量差别很大。为了提高RTU的通用性，一种普遍采用的可行的办法是将测控电路模块化。根据模块化的设计思想以及S3C4510B[2]和μClinux[3]的特点，RTU硬件总体结构设计的原理框图如图1。
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各种电路按功能设计成相应模块，以母板总线为接口基础。

　　主板模块以S3C4510B为核心。主要配置是：16M字节动态随机存储器SDRAM(两片HY57V651620B)，2M字节的Flash(一片AM29LV160DB)；处理器内部集成两个异步串行通信接口，串口0和串口1；一个10Mbps以太网接口；看门狗与复位电路(MAX507)；RTU母板总线驱动电路。
5 }/ a; v; q W　　串口0作为控制台，用于调试；串口1接LCD显示屏和触摸屏，实现当地监控的人机界面。5 Z4 M% e1 C' ]; F
　　测控接口电路主要有遥控模块、遥信模块(开关量采集)和遥测模块(模拟量采集)。遥控和摇信模块由母板总线直接扩展。遥测模块采用现场总线(CAN)通信接口。为此在RTU母板总线上扩展CAN总线通信模块，实现与遥测模块的通信。! s* O. x* k/ ~
　　串口模块(PC16C550)从母板总线上扩展。用该模块连接调制解调器(MODEM)，实现RTU远程通信。* V% ^# ]- c9 R$ ]- c0 v* _
　　1.2 RTU母板总线; ]- d) N6 G ^% B" o8 _& m
　　RTU母板总线是测控硬件模块扩展的基础，又是处理器总线上的一个外设接口。
- q3 s) _3 D h3 a0 L1 c0 ~　　为便于模块的扩展，RTU母板总线定义如下：数据总线H-D0～H-D7；地址总线H-A0～H-A7；地址片选信号H-S0～H-S6；读写控制信号H-WR和H-RD；地址锁存控制信号H-ALE；中断服务请求控制信号H-INT0～H-INT3；复位信号H-RESET。$ i2 S, m) ]7 k" S$ O) u
　　使用处理器的如下总线信号驱动RTU母板总线：地址总线A0～A11、数据总线D0～D7、读使能控制信号nOE、写使能控制信号nWBE0、外设(I/O)地址片选信号nECS0，以及4根中断控制信号线nINREQ0～nINREQ3。
) g$ [, R/ L: _$ d. T　　1.2.1 总线驱动电路
  Y# Q9 T+ `2 }7 r　　为兼容测控接口电路较常用的器件，母板总线按照5V的TTL电平设计。S3C4510B总线是3.3V的CMOS电平。3 C3 q+ \) b K& W6 ]) Z
　　处理器总线与RTU母板总线存在速度和电平上的差别，不能直接相连，它们之间需要一个总线驱动电路。
! ~' ^* r( W9 y- O) e5 x* x+ [  v　　总线驱动电路是主板模块的一部分。它实现处理器总线到RTU母板总线的接口扩展、电平转换和驱动。总线驱动接口电路如图2。
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　　采用双电源供电的双向总线缓冲器74LVX4245,实现处理器数据总线与RTU母板数据总线之间的电平转换和驱动。4 S0 l. \8 h8 c5 i# c8 w+ \* r
　　三八译码器U1，将2K字节地址空间译为8个地址片选信号,称为S0～S7，其中S0～S6由总线驱动芯片74LS244驱动后，作为RTU母板总线地址片选信号。
9 ?7 {' n( ~6 l" ?% j+ r0 |　　1.2.2 地址锁存信号ALE实现# |: e$ `# `( ~
　　一些常用的芯片，如CAN总线控制器SJA1000、时钟芯片DS12887等，内部带一个地址锁存器，需要地址锁存信号ALE，才能实现接口。S3C4510B没有ALE信号，所以母板总线扩展ALE信号，才能实现这类器件的接口。* U8 R; |  m- i  c
将U1的一个地址片选信号S7取反，写数据到S7地址，可以模拟出ALE控制信号，并实现ALE的功能。
0 G" B- U" `6 L0 {. F- D　　1.2.3 RTU母板总线的地址和访问速度
) [% D/ h0 [5 z4 U# f$ J3 o　　RTU母板总线作为处理器的一个外设，其地址和访问速度由处理器决定。
, n9 r. b% P1 {, v+ e　　S3C4510B总线统一编址。nECS0是外设地址片选信号，占外设地址空间起始的16K字节。
) [; A0 E$ `( N: }　　nECS0接U3使能端，决定RTU母板总线的基地址和访问速度。S3C4510B控制寄存器EXTDBWTH第20位置1、21位置0，表示nECS0按8位方式寻址。寄存器REFEXTCON的低10位设为0x360，则nECS0的基地址是0x3600000。
0 p# Q5 F5 R( t: j( {　　置控制寄存器EXTACON0为0x0fff，则S3C4510B对RTU母板总线的读写时间是7个CPU时钟周期。
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1.3 基于RTU母板总线的模块扩展

　　图3是扩展CAN总线通信模块的电路原理图。CAN总线模块以SJA1000为核心，通信数据经高速光电耦合器G1、G2隔离，82C250驱动，从接线端子J2连接到外部CAN总线。P1是1W的5V转5V的DC/DC电源模块。CAN模块使用H-S0作为片选信号，其基地址是0x3600000。) B. o" v, G! `2 V/ a9 q
　　图3给出了SJA1000与RTU母板总线的连接关系。SJA1000总线兼容TTL电平，数据总线和中断信号线有驱动能力，可以直接与母板总线接口。由图3可见，从RTU母板总线上扩展测控电路简单方便。
% A9 Z# k1 j% }: v) B/ M　　基于母板总线的其它模块扩展方法类似。5 R) ~* f4 B. F3 W
　　2 RTU软件设计
9 {5 Y/ o$ Y7 B9 t+ r+ b" F　　μClinux从linux操作系统改进而来，适合运行在S3C4510B这种无内存管理单元MMU的处理器中。基于工控机-linux的RTU程序，可以很方便地移植到arm-μClinux设计的RTU中。  o, i$ {* h5 ?: f" L. g
　　RTU程序的开发，包括应用程序开发和驱动程序开发两部分，全部采用C语言编写。3 D0 R6 c: Y/ j! I
　　2.1 RTU应用程序调试" I9 c  A  E8 ]5 L
　　使用JTAG仿真器工具和相应工具软件，将μClinux操作系统烧写到主板模块的Flash中。μClinux在主板模块上运行后，可以使用μClinux提供的工具软件在Flash上更新自身及应用程序。
4 E! L( q% P1 }* {6 q　　连接PC机的串口与主板模块的串口0。用Windows超级终端，与主板模块建立交互关系。将主板模块与PC机接入同一个局域网，配置合适的IP地址。 q  B& t+ S& U" W
　　使用文件传输服务工具FTP或TFTP，将PC机编译的μClinux应用程序下载到主板模块/ramdisk目录中，改为可执行属性后执行。应用程序中加入printf()函数，输出执行过程中的调试信息。0 }5 U' ~* i. y" k2 x0 B" p
　　2.2 JFFS2文件系统应用
, N5 r: K1 x# F　　JFFS2(The Journalling Flash File System, version 2)是一种为嵌入式系统Flash存储文件而设计的文件系统。μClinux编译选项，加入JFFS2文件系统。将2MB的Flash分成mtd0和mtd1两个区，各为1MB。mtd0是从0地址开始的存储空间，用于存储μClinux操作系统镜像文件。mtd1用于存储应用程序。μClinux的/dev目录中，有字符型设备文件mtd0、mtd1和对应的块设备文件mtdblock0、mtdblock1。
x& c1 H7 m2 Y) K* D2 {1 |; `　　有了JFFS2文件系统支持，使用文件拷贝操作方法，即可将RTU的操作系统和应用程序在Flash上更新。RTU的开发和现场调试，可以脱离JTAG仿真器工具，给RTU开发和维护提供了方便。1 M8 }6 u' r1 ^4 ^5 ~
　　2.3 更新μClinux的步骤% v7 C; U/ g [1 K& _. b3 o6 u5 H
　　(1)用FTP传输操作系统文件IMAGE.ROM到/ramdisk/目录；(2)擦除mtd0分区：eraseall /dev/mtd0；(3)将IMAGE.ROM写入mtd0：cp/ramdisk/IMAGE.ROM/dev/mtd0。. G/ G7 V  {3 j8 u, }
　　当提示操作完成后，复位主板模块即运行新的操作系统。由于μClinux操作系统在SDRAM中运行，更新操作系统过程中不能停电。
/ c$ _1 H, r6 }　　2.4 应用程序在Flash上的更新与执行* T* T1 v$ E# _5 V- o# X
　　(1)安装mtd1分区：mount-t-jffs2 /dev/mtdblock1/mnt。此操作将mtd1分区按块设备方式安装在μClinux的/mnt目录中。在/mnt目录中添加的文件，存储在Flash中，不会因掉电而丢失。(2)将应用程序myapp下载到/ramdisk目录，然后cp /ramdisk/myapp /mnt。即完成了应用程序在Flash上的更新。(3)修改文件属性：chmod 755 /mnt/myapp。(4)执行文件：./mnt/myapp。
% V) s+ `, ]5 @μClinux启动后，读取并执行/proc/rc文件中的命令。要使myapp应用程序自动执行，在rc文件中，加入9 R" |4 Q6 p5 `2 l( A7 a! `
　　mount -t jffs2 /dev/mtdblock1 /mnt% u4 T2 ?1 k w% ]
　　./mnt/myapp
8 G, l$ X  ]) X$ r# G1 Y　　系统启动后，自动安装mtd1分区，执行应用程序myapp。
' N9 `1 L1 M. V  [8 N, Z  W6 g" w　　基于本文设计的RTU，连接到一个电网数据采集与监控系统，经试运行，性能稳定可靠。证明文中设计的RTU的原理是正确的。