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(jiàn)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0和串口1；一個(gè)10Mbps以太網(wǎng)接口,；看門(mén)狗與復(fù)位電路(MAX507),；RTU母板總線驅(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(kāi)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(xiě)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(xiě)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(chēng)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(méi)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(lèi)器件的接口,。
　　

       將U1的一個(gè)地址片選信號(hào)S7取反，寫(xiě)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(xiě)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(jiàn)，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(lèi)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(kāi)發(fā),，包括應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)兩部分，全部采用C語(yǔ)言編寫(xiě),。

       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(xiě)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(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以脫離JTAG仿真器工具,，給RTU開(kāi)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(xiě)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(guò)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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       3 皺思秩.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2002.第1版