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引言 隨著(zhù)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(lèi)增多，采集的站點(diǎn)數增加，對數據采集的速度和質(zhì)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(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。 新開(kāi)發(fā)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(shù)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(yè)務(wù)功能時(shí)軟件結構體系保持不變。 RTU 對外有各種類(lèi)型的傳感器接口及通信接口，平時(shí)處于守侯狀態(tài)，當有外部事件或定時(shí)處理事件時(shí)，由中斷信號喚醒CPU 進(jìn)行相應的處理，處理完及時(shí)返回低功耗守侯狀態(tài)。 功耗設計是一個(gè)很重要的問(wèn)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(shí)間處于低功耗守候狀態(tài)，守候時(shí)僅CPU 在工作，其它部分已關(guān)電，因此CPU 的功耗是設計的關(guān)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(shí)現簡(jiǎn)單。但也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)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(shí)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?xún)r(jià)比好，功耗低。ARM7 系列處理器能較好滿(mǎn)足需要，目前生產(chǎn)廠(chǎng)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(guò)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(xiàn)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A(yíng)RM7TDMI 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(fā)接口， 5 個(gè)16 位定時(shí)器，1 個(gè)硬件CAN 接口，1 個(gè)RTC 時(shí)鐘，1 個(gè)WDT 看門(mén)狗。片上和外部擴展資源共同占據4GB 地址空間，可方便實(shí)現外部存儲器和其它資源的擴充。 為了構建一個(gè)通用的硬件平臺，對FLASH 和RAM 作適當擴展，保證RTU 模塊將來(lái)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(gè)非常緊湊的微控制器核，如圖1 所示。整個(gè)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(gè)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(shí)切斷它們的供電，保證按需啟動(dòng)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(guān)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(kāi)關(guān)電源甚至模塊電源都有較大的靜態(tài)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(tài)功耗小于50μA 的開(kāi)關(guān)電源目前很難找到。有少數專(zhuān)供超低功耗模式CPU供電的LDO電壓調整器可實(shí)現，如SPX3819，其100μA負載電流時(shí)的靜態(tài)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�；谝陨显�，對CPU 的供電另選用一款降壓型的開(kāi)關(guān)穩壓器LT3481。它靜態(tài)功耗僅為50μA，而且低輸出時(shí)也有高的效率，50μA 時(shí)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(lǐng)域中使用μC/OS-II，如照相機業(yè)、航空業(yè)以及工業(yè)機器人等。從8 位到64 位，μC/OS-II 已經(jīng)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(jīng)過(guò)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(kāi)放源代碼的單用戶(hù)多任務(wù)、完全占先式的硬實(shí)時(shí)內核，實(shí)時(shí)性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任務(wù)調度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內存管理和任務(wù)間的通信與同步等功能，沒(méi)有提供輸入輸出管理、文件系統、網(wǎng)絡(luò )之類(lèi)的額外服務(wù)。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和開(kāi)源性，用戶(hù)可以自己添加所需的各種服務(wù)。;一個(gè)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(guò)編寫(xiě)移植代碼來(lái)完成。除了編寫(xiě)OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C 等幾個(gè)文件外，還要編寫(xiě)初始化啟動(dòng)代碼。我們通過(guò)改寫(xiě)周立功SmartARM2210 開(kāi)發(fā)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。 3 軟件整體層次結構 RTU 中的程序有應用程序、μC/OS-II 操作系統、文件系統、硬件驅動(dòng)程序，整體層次關(guān)系如圖2。μC/OS-II 沒(méi)有提供硬件驅動(dòng)程序的內核接口和用戶(hù)接口，為了讓程序移植性好，需要對設備驅動(dòng)程序按類(lèi)型進(jìn)行統一的封裝，提供統一的編程接口，使應用程序開(kāi)發(fā)人員可以不考慮具體硬件的細節就可以編程。給上層應用程序提供統一的系統設備調用接口，需要對設備的訪(fǎng)問(wèn)操作進(jìn)行抽象，應用程序通過(guò)硬件驅動(dòng)程序的上層訪(fǎng)問(wèn)抽象接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)底層硬件。驅動(dòng)程序的設計借鑒了Linux 系統的成功經(jīng)驗，同時(shí)考慮到嵌入式操作系統的特殊性，為μC/OS-II 建立了如圖2 中所示的驅動(dòng)框架模型。驅動(dòng)主要分兩個(gè)層次：驅動(dòng)程序的上層訪(fǎng)問(wèn)抽象接口和硬件設備驅動(dòng)層。 (1)上層訪(fǎng)問(wèn)抽象接口層：這層包括抽象接口和設備管理核心數據兩部分。通過(guò)對設備訪(fǎng)問(wèn)操作的抽象，為上層應用提供了5 個(gè)訪(fǎng)問(wèn)接口A(yíng)PI 函數： Open、Read、Write、Ioctrl、Close，用于打開(kāi)、讀、寫(xiě)、控制和關(guān)閉設備。設備管理核心數據結構是驅動(dòng)框架的核心，為系統中的每個(gè)硬件設備分配唯一的設備名，上層應用程序通過(guò)將設備名作為參數傳遞給API 函數實(shí)現對相應設備的核心管理數據結構的定位尋址，實(shí)現對設備的統一訪(fǎng)問(wèn)控制。 (2)硬件設備驅動(dòng)模塊層：這層是硬件設備驅動(dòng)模塊功能的實(shí)現層，對各個(gè)硬件設備的驅動(dòng)在相應的硬件設備驅動(dòng)模塊中完成。分別完成設備的打開(kāi)、讀、寫(xiě)、控制和關(guān)閉功能。 為了使程序具有良好的可讀性、可維性，采用了結構化程序設計方法，即"自頂向下，逐步求精"的程序設計方法和"單入口單出口"的控制結構，從問(wèn)題本身開(kāi)始，經(jīng)過(guò)逐步細化，將解決問(wèn)題的步驟分解為由基本程序結構模塊組成的結構化程序框圖，使每一個(gè)模塊的功能變單純而明確，為下一步軟件的功能擴充和修改打下了良好的基礎。 4 功耗的管理設計 4.1 外設的功耗管理 功耗管理，除CPU 核的控制外，還要保證外設在需要使用時(shí)及時(shí)上電，使用完后立即關(guān)閉，從而達到降低功耗的目的。對外設的功耗管理通過(guò)IO 輸出口來(lái)控制MOS 管的通斷，從而打開(kāi)或關(guān)斷外部設備的電源。 通信電臺的功耗最大，占系統耗電量的比例大，需要嚴格的計算控制。電臺設備從上電啟動(dòng)到關(guān)閉分三個(gè)階段：上電啟動(dòng)階段T1，數據發(fā)送階段T2，等待數據發(fā)送階段T3。 (1)設備上電的時(shí)機: 信道編碼后，需要發(fā)送數據時(shí)打開(kāi)。 (2)設備啟動(dòng)時(shí)間T1：設備從上電到可以發(fā)送數據需要一個(gè)過(guò)渡時(shí)間，具體的時(shí)間值與設備有關(guān)，需要看具體設備的手冊。 (3)數據發(fā)送時(shí)間T2：這里的數據發(fā)送時(shí)間是指數據通過(guò)串口發(fā)送出去的時(shí)間，當數據從串口發(fā)出后，程序會(huì )返回一個(gè)數據發(fā)送完畢的信息，T2 時(shí)間由接口設備自動(dòng)控制。 圖3 通信設備功耗控制示意圖 (4)等待數據發(fā)送結束時(shí)間T3：有些通信設備帶有數據緩沖區，當數據從串口發(fā)送給通信設備時(shí)，不是立即就將數據發(fā)送出去，而是先暫存在數據緩沖區，此時(shí)如果立即關(guān)閉設備電源，可能有數據沒(méi)有發(fā)送完，所以需要一個(gè)等待時(shí)間。 (5)設備關(guān)電時(shí)機：當T3 結束后，立即關(guān)閉設備的電源。 實(shí)際編程時(shí)T1 的值根據具體的設備的數據手冊來(lái)確定;T3 的值也需要根據具體的設備來(lái)調試，以接收端能準確可靠的接收到數據，T3 的值最小為準。 4.2 CPU 核的功耗管理 CPU 核在沒(méi)有任務(wù)可做時(shí)要進(jìn)入低功耗狀態(tài)STOP 模式，在程序中通過(guò)空閑任務(wù)連續運行狀態(tài)來(lái)判定。當所有的任務(wù)都不運行時(shí)，操作系統會(huì )自動(dòng)運行空閑任務(wù)，當空閑任務(wù)連續運行超過(guò)一定的時(shí)間后(超過(guò)程序中需要的最大等待時(shí)間)，關(guān)閉所有的外設，讓CPU進(jìn)入STOP 模式。具體的實(shí)現是將原有的空閑任務(wù)程序進(jìn)行修改，增加一個(gè)記數器，當記數到一定的數值(即一定的時(shí)間)后，進(jìn)入STOP 模式。 修改后的OS_TaskIdle 程序如下： void OS_TaskIdle (void *pdata) { #if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */ OS_CPU_SR cpu_sr; #endif pdata = pdata; for (;;) { OS_ENTER_CRITICAL(); OSIdleCtr++; OS_EXIT_CRITICAL(); Count = count +1; If (count > 某個(gè)數值) { 將CPU 進(jìn)入STOP 模式; } OSTaskIdleHook(); } } 由于空閑任務(wù)隨時(shí)可能被別的任務(wù)搶先，當重新執行空閑任務(wù)時(shí)，如接著(zhù)搶先點(diǎn)繼續執行，全局變量COUNT 沒(méi)有被清零，所以在每個(gè)任務(wù)開(kāi)始運行或執行結束后，都需要對COUNT 清零，這樣可以保證COUNT 重新記數，在FOR 循環(huán)語(yǔ)句中，當COUNT 記數到一定值，CPU 將進(jìn)入STOP 模式。 5 結束語(yǔ) 本RTU 微控制器經(jīng)過(guò)試運行后，功耗滿(mǎn)足要求，靜態(tài)功耗小于500μA/12V，在采用10AH 的蓄電池加太陽(yáng)能板(容量靈活組合)，可以保證系統無(wú)日照50 天正常工作。由于采用了μCOS-II 操作系統，并編寫(xiě)了硬件驅動(dòng)程序的內核接口和用戶(hù)接口，使程序具有良好的移植性，也方便了應用程序開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)程序。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：提出了一種基于A(yíng)RM7 和μCOSII 的RTU 低功耗設計方案。采用ARM7 處理機，又根據RTU 設備工作特點(diǎn)設計了電源功耗管理軟件，實(shí)現了RTU 高的處理能力、低的功耗及長(cháng)時(shí)間的電池供電。 該設計可大規模應用在全國水情測報系統中，將會(huì )有500 萬(wàn)以上的經(jīng)濟效益。 |
