基于ARM7的RTU微控制器的设计（1） 传感器, 开发, 技术, 可扩展性, 控制器

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引言
随着我国在水情数据采集系统的信息化和现代化步伐的加快，需要采集的数据种类增多，采集的站点数增加，对数据采集的速度和质量都提出了新的要求，传统的水情数据测报系统的RTU(远端数据采集器)已不能适应新的要求，亟需开发新的产品。
新开发的RTU，其处理能力要比较强，可扩展性要比较好，运行的软件系统具有可移植性，可以移植到不同的硬件平台，可以根据需要配置不同的传感器。为此技术上选用成熟可靠的RTOS 和层次化、构件化的设计思想构建平台软件，保证软件稳定、可靠，扩充新业务功能时软件结构体系保持不变。
RTU 对外有各种类型的传感器接口及通信接口，平时处于守侯状态，当有外部事件或定时处理事件时，由中断信号唤醒CPU 进行相应的处理，处理完及时返回低功耗守侯状态。
功耗设计是一个很重要的问题。因为RTU 是靠电池工作的，这就要求RTU 低功耗工作，考虑到RTU 大部分时间处于低功耗守候状态，守候时仅CPU 在工作，其它部分已关电，因此CPU 的功耗是设计的关键。
1 硬件设计
1.1 CPU 选型
早期的远端采集单元 RTU 一般选择单片机，最主要的原因是实现简单。但也带来了一个问题，功能扩充性特别差，稍作改变，软硬件就要重新设计。另外由于处理能力不强，功能的实现也受到限制。为此，我们选择近期上市的嵌入式CPU。
我们选择的原则是性价比好，功耗低。ARM7 系列处理器能较好满足需要，目前生产厂商也较多，有ATEMEL 的AT91SAM7X256; 恩智浦NXP 的LPC2214 ;ST 微电子的ST710FZ2;TI 的MSP430 等，通过综合比较我们认为，ST 微电子的ST710FZ2 比较好，该CPU 为32 位ARM7 内核的RISC 处理器，具有三级流水线指令结构，是一种高性能、低成本的方案。该CPU 具备多种省电模式，最小待机电流为30μA。
1.2 RTU 微控制核设计
STR710FZ2T6 是一颗基于ARM7TDMI 内核的32 位处理器，片上有丰富的资源：256+16K 片上 FLASH，64K 片内 RAM，4 路12 位AD，4 路硬件串行收发接口， 5 个16 位定时器，1 个硬件CAN 接口，1 个RTC 时钟，1 个WDT 看门狗。片上和外部扩展资源共同占据4GB 地址空间，可方便实现外部存储器和其它资源的扩充。
为了构建一个通用的硬件平台，对FLASH 和RAM 作适当扩展，保证RTU 模块将来的功能升级不受限制。FLASH 程序空间扩展为4MB，RAM 扩展为512KB。FLASH 选用SST 公司的SST39VF3201，容量为32Mb/16 位、低功耗模式典型3μA。RAM 选用ISSI 公司的IS61WV51216，容量为4Mb/16 位、低功耗待机工作9μW。由此构成一个非常紧凑的微控制器核，如图1 所示。整个处理机核的待机功耗小于50μA。
对于低功耗处理机核，还有一个重要的考虑是对外围接口和接口设备的电源控制，在待机时切断它们的供电，保证按需启动设备，为此设计扩展了一些控制接口。


1.3 RTU 微控制核电源
微控制器核的电源设计也是关键的一步。RTU 模块主控CPU 供电部分有其特殊的需求，分为工作模式和睡眠模式两种，工作模式下的电流100mA 左右，而睡眠模式下的电流仅为50μA。两种模式的差异导致了CPU 供电存在一定的难度。
一般开关电源甚至模块电源都有较大的静态功耗(40mA 左右)，选用模块电源对主控CPU 的供电相当困难。负载在50μA~500mA 自身静态功耗小于50μA 的开关电源目前很难找到。有少数专供超低功耗模式CPU供电的LDO电压调整器可实现，如SPX3819，其100μA负载电流时的静态功耗为90μA。但效率太低，70-80%的电能被白白浪费了，不适合蓄电池供电。基于以上原因，对CPU 的供电另选用一款降压型的开关稳压器LT3481。它静态功耗仅为50μA，而且低输出时也有高的效率，50μA 时达60%，100mA 高达86%，特别适合微控制器核供电，如图1 蓄电池直接连到LT3481，向CPU 提供电源。
2 操作系统的移植
很多领域中使用μC/OS-II，如照相机业、航空业以及工业机器人等。从8 位到64 位，μC/OS-II 已经在40 多种不同架构的微处理器上使用。μC/OS-II 的功能和函数经过考验和测试，具有足够的安全性与稳定性。为此，操作系统选择μC/OS-II。μC/OS-II 是一种开放源代码的单用户多任务、完全占先式的硬实时内核，实时性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等功能，没有提供输入输出管理、文件系统、网络之类的额外服务。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和开源性，用户可以自己添加所需的各种服务。;一个基于μC/OS-II 的嵌入式应用系统由四部分组成: 应用程序代码、配置程序、移植代码、核心代码。操作系统移植通过编写移植代码来完成。除了编写OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、 OS_CPU_C.C 等几个文件外，还要编写初始化启动代码。我们通过改写周立功SmartARM2210 开发板的这部分代码完成了移植，并能在自研的核心板上稳定运行。
3 软件整体层次结构
RTU 中的程序有应用程序、μC/OS-II 操作系统、文件系统、硬件驱动程序，整体层次关系如图2。μC/OS-II 没有提供硬件驱动程序的内核接口和用户接口，为了让程序移植性好，需要对设备驱动程序按类型进行统一的封装，提供统一的编程接口，使应用程序开发人员可以不考虑具体硬件的细节就可以编程。给上层应用程序提供统一的系统设备调用接口，需要对设备的访问操作进行抽象，应用程序通过硬件驱动程序的上层访问抽象接口来访问底层硬件。驱动程序的设计借鉴了Linux 系统的成功经验，同时考虑到嵌入式操作系统的特殊性，为μC/OS-II 建立了如图2 中所示的驱动框架模型。驱动主要分两个层次：驱动程序的上层访问抽象接口和硬件设备驱动层。


(1)上层访问抽象接口层：这层包括抽象接口和设备管理核心数据两部分。通过对设备访问操作的抽象，为上层应用提供了5 个访问接口API 函数： Open、Read、Write、Ioctrl、Close，用于打开、读、写、控制和关闭设备。设备管理核心数据结构是驱动框架的核心，为系统中的每个硬件设备分配唯一的设备名，上层应用程序通过将设备名作为参数传递给API 函数实现对相应设备的核心管理数据结构的定位寻址，实现对设备的统一访问控制。