基于ARM与μClinux的RTU设计

1、    基于ARM与Clinux的RTU设计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)

2、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Clinux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Clinux设计RTU已经成为一个热点1。1 RTU硬件电路设计1.1 RTU总体结构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

3、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S3C4510B2和Clinux3的特点，RTU硬件总体结构设计的原理框图如图1。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。串口0

4、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。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。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。1.2 RTU母板总线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。为便于模块的扩展，RTU母板总线定义如下：数据总线H-D0H-D7；地址总线H-A0H-A7CMOS电平。处

5、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。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。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。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S0S7，其中S0S6由总线驱动芯片74LS244SJA1000、时钟芯片DS12887CPU时钟周期。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

6、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。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。基于母板总线的其它模块扩展方法类似。2 RTU软件设计Clinux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

7、地移植到ARM-Clinux设计的RTU中。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。2.1 RTU应用程序调试使用JTAG仿真器工具和相应工具软件，将Clinux操作系统烧写到主板模块的Flash中。Clinux在主板模块上运行后，可以使用Clinux提供的工具软件在Flash上更新自身及应用程序。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。使用文件传输服务工具FTP或TFTP，将PC机编译的Clinux应用程序下载到主板模块/ramdisk目录中，改为可执行属

8、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。2.2 JFFS2文件系统应用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。Clinux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Clinux操作系统镜像文件。mtd1用于存储应用程序。Clinux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。有了JFFS2

9、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。2.3 更新Clinux的步骤(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。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Clinux操作系统在SDRAM中运行，更新操作系统过程中不能停电。2.4 应用程序在Flash上的更新与执行

10、(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Clinux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。Clinux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mount -t jffs2 /dev/mtdblock1 /mnt./mnt/myapp系统启动后，自动安装mtd1分区，执行应用程序myapp。基于本文设计的RTU，连接到一个电网数据采