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μClinux環(huán)境下開發(fā)RTU應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">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(dòng)RTU母板總線的接口電路" title="接口電路">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)
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在電力系統(tǒng)變電所以及電氣化鐵道牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)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(cè),、遙信等功能。
采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，擴(kuò)展測(cè)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(shì),，采用ARM和μClinux設(shè)計(jì)RTU已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)[1]。
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(chǔ)器、人機(jī)接口等,。為了執(zhí)行RTU的測(cè)控功能,，需要擴(kuò)展大量外圍接口電路。不同變電所的測(cè)控對(duì)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(cè)控電路模塊化。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想以及S3C4510B[2]和μClinux[3]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(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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" title="串口">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(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路,。
串口0作為控制臺(tái)，用于調(diào)試,；串口1接LCD顯示屏和觸摸屏,，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的人機(jī)界面。
測(cè)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(cè)模塊(模擬量采集),。遙控和搖信模塊由母板總線直接擴(kuò)展。遙測(cè)模塊采用現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)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(hào)H-S0～H-S6,；讀寫控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào)H-WR和H-RD,；地址鎖存控制信號(hào)H-ALE；中斷服務(wù)請(qǐng)求控制信號(hào)H-INT0～H-INT3,；復(fù)位信號(hào)H-RESET,。
使用處理器的如下總線信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)nOE,、寫使能控制信號(hào)nWBE0、外設(shè)(I/O)地址片選信號(hào)nECS0,，以及4根中斷控制信號(hào)線nINREQ0～nINREQ3,。
1.2.1 總線驅(qū)動(dòng)電路
為兼容測(cè)控接口電路較常用的器件，母板總線按照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(dòng)電路,。
總線驅(qū)動(dòng)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(dòng),?？偩€驅(qū)動(dòng)接口電路如圖2。
采用雙電源供電的雙向總線緩沖器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(dòng),。
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(hào),稱為S0～S7，其中S0～S6由總線驅(qū)動(dòng)芯片74LS244驅(qū)動(dòng)后,，作為RTU母板總線地址片選信號(hào),。
1.2.2 地址鎖存信號(hào)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(hào)ALE,，才能實(shí)現(xiàn)接口,。S3C4510B沒有ALE信號(hào)，所以母板總線擴(kuò)展ALE信號(hào),，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(hào)S7取反，寫數(shù)據(jù)到S7地址,，可以模擬出ALE控制信號(hào),，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,。
S3C4510B總線統(tǒng)一編址。nECS0是外設(shè)地址片選信號(hào),，占外設(shè)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(shè)為0x360,，則nECS0的基地址是0x3600000。
置控制寄存器EXTACON0為0x0fff,，則S3C4510B對(duì)RTU母板總線的讀寫時(shí)間是7個(gè)CPU時(shí)鐘周期,。
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(dòng),，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(hào)，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(hào)線有驅(qū)動(dòng)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(cè)控電路簡(jiǎn)單方便,。
基于母板總線的其它模塊擴(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(lái)，適合運(yùn)行在S3C4510B這種無(wú)內(nèi)存管理單元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(dòng)程序開發(fā)兩部分，全部采用C語(yǔ)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(jí)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)行過程中的調(diào)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(chǔ)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),，各為1MB。mtd0是從0地址開始的存儲(chǔ)空間,，用于存儲(chǔ)μClinux操作系統(tǒng)鏡像文件,。mtd1用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序,。μClinux的/dev目錄中，有字符型設(shè)備文件mtd0,、mtd1和對(duì)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(chǎng)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)在SDRAM中運(yùn)行，更新操作系統(tǒng)過程中不能停電,。
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/mtdblock1/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(chǔ)在Flash中,，不會(huì)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：chmod 755 /mnt/myapp,。(4)執(zhí)行文件：./mnt/myapp,。
μClinux啟動(dòng)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(dòng)執(zhí)行,，在rc文件中，加入
mount -t jffs2 /dev/mtdblock1 /mnt
./mnt/myapp
系統(tǒng)啟動(dòng)后,，自動(dòng)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,。
參考文獻(xiàn)
1 嚴(yán)亞勤,，吳文傳，張伯明. 基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)RTU[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2004;24(9):27～29
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