采用工業(yè)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(yōu)點,；軟件上由于采用μClinux操作系統(tǒng),，有許多優(yōu)秀的應用程序成果可以利用。正是由于這些優(yōu)勢,，采用ARM和μClinux設計RTU已經(jīng)成為一個熱點[1],。

       1 RTU硬件電路設計

       1.1 RTU總體結(jié)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(zhí)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(shù)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(jù)模塊化的設計思想以及S3C4510B[2]和μClinux[3]的特點,，RTU硬件總體結(jié)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(jié)動態(tài)隨機存儲器SDRAM(兩片HY57V651620B),，2M字節(jié)的Flash(一片AM29LV160DB)；處理器內(nèi)部集成兩個異步串行通信接口,，串口0和串口1,；一個10Mbps以太網(wǎng)接口；看門狗與復位電路(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顯示屏和觸摸屏,，實現(xiàn)當?shù)乇O(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)制解調(diào)器(MODEM),，實現(xiàn)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(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(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(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(qū)動電路。
　　

       總線驅(qū)動電路是主板模塊的一部分,。它實現(xiàn)處理器總線到RTU母板總線的接口擴展,、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緩沖器74LVX4245,實現(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實現(xiàn)
　　

       一些常用的芯片,，如CAN總線控制器SJA1000、時鐘芯片DS12887等,，內(nèi)部帶一個地址鎖存器,，需要地址鎖存信號ALE，才能實現(xiàn)接口,。S3C4510B沒有ALE信號,，所以母板總線擴展ALE信號，才能實現(xiàn)這類器件的接口,。
　　

       將U1的一個地址片選信號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外設，其地址和訪問速度由處理器決定,。
　　

       S3C4510B總線統(tǒng)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(jié),。
　　

       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(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(tǒng)改進而來，適合運行在S3C4510B這種無內(nèi)存管理單元MMU的處理器中,?；诠た貦C-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(fā),，包括應用程序開發(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應用程序調(diào)試
　　

       使用JTAG仿真器工具和相應工具軟件,，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(wǎng),，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(zhí)行屬性后執(zhí)行。應用程序中加入printf()函數(shù),，輸出執(zhí)行過程中的調(diào)試信息,。

       2.2 JFFS2文件系統(tǒng)應用
　　

       JFFS2(The Journalling Flash File System, version 2)是一種為嵌入式系統(tǒng)Flash存儲文件而設計的文件系統(tǒng)。μClinux編譯選項,，加入JFFS2文件系統(tǒng),。將2MB的Flash分成mtd0和mtd1兩個區(qū)，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(tǒng)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(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,。
　　

       當提示操作完成后，復位主板模塊即運行新的操作系統(tǒng),。由于μClinux操作系統(tǒng)在SDRAM中運行,，更新操作系統(tǒng)過程中不能停電。

       2.4 應用程序在Flash上的更新與執(zhí)行
　　

       (1)安裝mtd1分區(qū)：mount-t-jffs2 /dev/mtdblock1/mnt,。此操作將mtd1分區(qū)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(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)行應用程序myapp,。
　　

       基于本文設計的RTU,，連接到一個電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)試運行,，性能穩(wěn)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(wǎng)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