引言

隨著我國在水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息化和現(xiàn)代化步伐的加快，需要采集的數(shù)據(jù)種類增多，采集的站點數(shù)增加，對數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量都提出了新的要求，傳統(tǒng)的水情數(shù)據(jù)測報系統(tǒng)的RTU（遠端數(shù)據(jù)采集器）已不能適應新的要求，亟需開發(fā)新的產(chǎn)品。

新開發(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(tǒng)具有可移植性，可以移植到不同的硬件平臺，可以根據(jù)需要配置不同的傳感器。為此技術上選用成熟可靠的RTOS 和層次化、構件化的設計思想構建平臺軟件，保證軟件穩(wěn)定、可靠，擴充新業(yè)務功能時軟件結構體系保持不變。

RTU 對外有各種類型的傳感器接口及通信接口，平時處于守侯狀態(tài)，當有外部事件或定時處理事件時，由中斷信號喚醒CPU 進行相應的處理，處理完及時返回低功耗守侯狀態(tài)。

功耗設計是一個很重要的問題。因為RTU 是靠電池工作的，這就要求RTU 低功耗工作，考慮到RTU 大部分時間處于低功耗守候狀態(tài)，守候時僅CPU 在工作，其它部分已關電，因此CPU 的功耗是設計的關鍵。

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，最主要的原因是實現(xiàn)簡單。但也帶來了一個問題，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，功能的實現(xiàn)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價比好，功耗低。ARM7 系列處理器能較好滿足需要，目前生產(chǎn)廠商也較多，有ATEMEL 的AT91SAM7X256； 恩智浦NXP 的LPC2214 ；ST 微電子的ST710FZ2；TI 的MSP430 等，通過綜合比較我們認為，ST 微電子的ST710FZ2 比較好，該CPU 為32 位ARM7 內(nèi)核的RISC 處理器，具有三級流水線指令結構，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ARM7TDMI 內(nèi)核的32 位處理器，片上有豐富的資源：256+16K 片上 FLASH，64K 片內(nèi) RAM，4 路12 位AD，4 路硬件串行收發(fā)接口， 5 個16 位定時器，1 個硬件CAN 接口，1 個RTC 時鐘，1 個WDT 看門狗。片上和外部擴展資源共同占據(jù)4GB 地址空間，可方便實現(xiàn)外部存儲器和其它資源的擴充。

為了構建一個通用的硬件平臺，對FLASH 和RAM 作適當擴展，保證RTU 模塊將來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。由此構成一個非常緊湊的微控制器核，如圖1 所示。整個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，在待機時切斷它們的供電，保證按需啟動設備，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。

一般開關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 的開關電源目前很難找到。有少數(shù)專供超低功耗模式CPU供電的LDO電壓調(diào)整器可實現(xiàn)，如SPX3819，其100μA負載電流時的靜態(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關穩(wěn)壓器LT3481。它靜態(tài)功耗僅為50μA，而且低輸出時也有高的效率，50μA 時達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(tǒng)的移植

很多領域中使用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(shù)經(jīng)過考驗和測試，具有足夠的安全性與穩(wěn)定性。為此，操作系統(tǒng)選擇μC/OS-II。μC/OS-II 是一種開放源代碼的單用戶多任務、完全占先式的硬實時內(nèi)核，實時性好。μC/OS-Ⅱ本身只包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信與同步等功能，沒有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡之類的額外服務。但是由于μC/OS-Ⅱ的可移植性和開源性，用戶可以自己添加所需的各種服務。;一個基于μC/OS-II 的嵌入式應用系統(tǒng)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(tǒng)移植通過編寫移植代碼來完成。除了編寫OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C 等幾個文件外，還要編寫初始化啟動代碼。我們通過改寫周立功SmartARM2210 開發(fā)板的這部分代碼完成了移植，并能在自研的核心板上穩(wěn)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(tǒng)、文件系統(tǒng)、硬件驅動程序，整體層次關系如圖2。μC/OS-II 沒有提供硬件驅動程序的內(nèi)核接口和用戶接口，為了讓程序移植性好，需要對設備驅動程序按類型進行統(tǒng)一的封裝，提供統(tǒng)一的編程接口，使應用程序開發(fā)人員可以不考慮具體硬件的細節(jié)就可以編程。給上層應用程序提供統(tǒng)一的系統(tǒng)設備調(diào)用接口，需要對設備的訪問操作進行抽象，應用程序通過硬件驅動程序的上層訪問抽象接口來訪問底層硬件。驅動程序的設計借鑒了Linux 系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，同時考慮到嵌入式操作系統(tǒng)的特殊性，為μC/OS-II 建立了如圖2 中所示的驅動框架模型。驅動主要分兩個層次：驅動程序的上層訪問抽象接口和硬件設備驅動層。

(1)上層訪問抽象接口層：這層包括抽象接口和設備管理核心數(shù)據(jù)兩部分。通過對設備訪問操作的抽象，為上層應用提供了5 個訪問接口API 函數(shù)： Open、Read、Write、Ioctrl、Close，用于打開、讀、寫、控制和關閉設備。設備管理核心數(shù)據(jù)結構是驅動框架的核心，為系統(tǒng)中的每個硬件設備分配唯一的設備名，上層應用程序通過將設備名作為參數(shù)傳遞給API 函數(shù)實現(xiàn)對相應設備的核心管理數(shù)據(jù)結構的定位尋址，實現(xiàn)對設備的統(tǒng)一訪問控制。

(2)硬件設備驅動模塊層：這層是硬件設備驅動模塊功能的實現(xiàn)層，對各個硬件設備的驅動在相應的硬件設備驅動模塊中完成。分別完成設備的打開、讀、寫、控制和關閉功能。

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，從問題本身開始，經(jīng)過逐步細化，將解決問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及時上電，使用完后立即關閉，從而達到降低功耗的目的。對外設的功耗管理通過IO 輸出口來控制MOS 管的通斷，從而打開或關斷外部設備的電源。

通信電臺的功耗最大，占系統(tǒng)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到關閉分三個階段：上電啟動階段T1，數(shù)據(jù)發(fā)送階段T2，等待數(shù)據(jù)發(fā)送階段T3。

(1)設備上電的時機: 信道編碼后，需要發(fā)送數(shù)據(jù)時打開。

(2)設備啟動時間T1：設備從上電到可以發(fā)送數(shù)據(jù)需要一個過渡時間，具體的時間值與設備有關，需要看具體設備的手冊。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)送時間T2：這里的數(shù)據(jù)發(fā)送時間是指數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去的時間，當數(shù)據(jù)從串口發(fā)出后，程序會返回一個數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的信息，T2 時間由接口設備自動控制。

圖3 通信設備功耗控制示意圖

(4)等待數(shù)據(jù)發(fā)送結束時間T3：有些通信設備帶有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當數(shù)據(jù)從串口發(fā)送給通信設備時，不是立即就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而是先暫存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此時如果立即關閉設備電源，可能有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完，所以需要一個等待時間。

(5)設備關電時機：當T3 結束后，立即關閉設備的電源。

實際編程時T1 的值根據(jù)具體的設備的數(shù)據(jù)手冊來確定；T3 的值也需要根據(jù)具體的設備來調(diào)試，以接收端能準確可靠的接收到數(shù)據(jù)，T3 的值最小為準。

4.2 CPU 核的功耗管理

CPU 核在沒有任務可做時要進入低功耗狀態(tài)STOP 模式，在程序中通過空閑任務連續(xù)運行狀態(tài)來判定。當所有的任務都不運行時，操作系統(tǒng)會自動運行空閑任務，當空閑任務連續(xù)運行超過一定的時間后（超過程序中需要的最大等待時間），關閉所有的外設，讓CPU進入STOP 模式。具體的實現(xiàn)是將原有的空閑任務程序進行修改，增加一個記數(shù)器，當記數(shù)到一定的數(shù)值（即一定的時間）后，進入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 > 某個數(shù)值)

{ 將CPU 進入STOP 模式；

}

OSTaskIdleHook();

}

}

由于空閑任務隨時可能被別的任務搶先，當重新執(zhí)行空閑任務時，如接著搶先點繼續(xù)執(zhí)行，全局變量COUNT 沒有被清零，所以在每個任務開始運行或執(zhí)行結束后，都需要對COUNT 清零，這樣可以保證COUNT 重新記數(shù)，在FOR 循環(huán)語句中，當COUNT 記數(shù)到一定值，CPU 將進入STOP 模式。

5 結束語

本RTU 微控制器經(jīng)過試運行后，功耗滿足要求，靜態(tài)功耗小于500μA/12V，在采用10AH 的蓄電池加太陽能板（容量靈活組合），可以保證系統(tǒng)無日照50 天正常工作。由于采用了μCOS-II 操作系統(tǒng)，并編寫了硬件驅動程序的內(nèi)核接口和用戶接口，使程序具有良好的移植性，也方便了應用程序開發(fā)人員編寫程序。

本文作者創(chuàng)新點：提出了一種基于ARM7 和μCOSII 的RTU 低功耗設計方案。采用ARM7 處理機，又根據(jù)RTU 設備工作特點設計了電源功耗管理軟件，實現(xiàn)了RTU 高的處理能力、低的功耗及長時間的電池供電。

該設計可大規(guī)模應用在全國水情測報系統(tǒng)中，將會有500 萬以上的經(jīng)濟效益。