基于ARM9的RTU设计

摘要：提出了一种面向工业现场信号采集和对现场设备控制的新型通用一体化RTU的设计方案。介绍了基于ARM9处理器并采用μC／OS-II实时操作系统的RTU系统设计方法，同时对数据传输采用的Modbusi通信协议和硬件功能模块的设计进行了描述。硬件功能模块主要包括8路数字量输入、8路数字量输出、8路模拟量输入、RS232通信、RS485通信和以太网通信等模块。文中还提出了从站RTU的软件设计方法。与普通RTU相比，该方法具有更大的存储容量，更强的计算功能，更简便的编程与开发能力和强大的通信组网能力。
关健词：信号采集；现场控制；RTU；μC／OS-II；Modbus

0 引言
RTU(Remote Tenninal unit)是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常具有优良的通讯能力和更大的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得列了大量的应用。RTU应用领域宽广、包括电力系统、给水系统、石油、化工等诸多领域。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，软件上采用μC／OS-II操作系统，有许多优秀的应用程序可以利用。本文将介绍一种基于ARM9和μC／OS-II的RTU硬件、软件设计方法。

1 RTU系统设计
基于ARM9的新型RTU系统结构如图1所示。该系统以S3C2440A为主控制器，主要包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、RS232通信模块、RS485通信模块、以太网通信模块、存储器模块、E2PROM和测温模块等等。软件采用μC／OS-Ⅱ实时多任务操作系统，数据传输采用Modbus通信协议，设计了TCP＼IP、RS232、RS485等多种通信方式。

为使该RTU适用于复杂苛刻的环境、满足工业控制的指标和需求，在各个模块与MCU之间加上适当的隔离保护器件，同时给各个模块和MCU供电的部分电源模块也要选取隔离型的DC-DC电源，还有在主电源端口和通信端口处加上适当的防雷保护电路和ESD保护电路，使得该RTU各个模块之间基本上互不干扰，更能适用于恶劣的环境。
1．1 主控制器的选择
RTU的处理芯片采用S3C2440A，S3C2440A的内核为ARM920T，并且片内集成了RS232、RS485、SPI、IIC、通用I／O口等外围设备接口，并具有低价格、低功耗、高性能等特点，能够满足多种通信协议，如Modbus等通信协议。
1．2 数字量输入输出模块设计
该RTU具有8路数字量输入和8路数字量输出。单路数字量输入和数字量输出原理图如图2所示。数字量输入的直流有效电压为10～48 V，具有光耦隔离，隔离电压的有效值为2 500 V。数字量输出的直流有效电压为10～36V，也具有光耦隔离，隔离电压的有效值为2 500V。

对于数字量输入，可在输入端加入适当的滤波电容、自恢复保险丝、压敏电阻、整流二极管和电阻等元件组成的电路，然后和光耦隔离器PS2801串联。值得注意的是，和光耦隔离器串联的电阻R3、并联的电阻R4选取要恰当，通过调整其电阻值，可以得到合适的输入电压阈值。数字量输入电压通过光耦隔离之后，转换为合适的电压信号至MCU。考虑到数字量输入可为开关量输入和脉冲信号输入，应选用MCU的外部中断功能引脚作为数字量输入管脚，这样MCU才能及时响应数字量输入。
对于数字量输出(电压输出)，MCU通过光耦隔离器PS2801控制固态继电器VN3401SP的输出。数字量输出可分为开关量输出和脉冲输出。对于开关量输出，可以通过MCU的普通GPIO引脚来实现控制；对于脉冲输出，可以使用MCU的PWM引脚来实现控制。
1．3 模拟量输入模块
当MCU内部集成的ADC不能满足系统设计要求时，需要外加一个满足系统设计要求的ADC，外部ADC采集的数据可以通过多种总线传输到MCU(如IIC、SPI等)。

该RTU具有8路模拟量输入，模拟量输入原理图如图3所示。模拟量输入范围为直流4～20 mA或0～5 V，采用TI公司的ADS7952(采样频率为1 MHz，12位分辨率，20 MHz的SPI串行接口)，在模拟量输入前端加入适当的调理电路(由滤波电容、自恢复保险丝、TVS管、精密电阻、高速运放、稳压管等元件组成的电路)，ADS7952的数据传输采用SPI总线传输，在ADC和MCU的SPI总线上加上一个磁耦隔离器ADuM1401，注意磁耦隔离器的数据转换速率要大于SPI的传输波特率。
1．4 通信模块
新型RTU具有强大的通信组网能力，并且兼容多种通信方式，如TCP／IP、RS232、RS485通信等等。该RTU有1个RS232通信接口、1个RS4 85通信接口和1个以太网接口。其中，RS232通信接口还可以外接一个ZigBee模块，实现无线数据传输。
MCU的UART端口通过磁耦隔离器ADuM1402分别与RS232收发器MAX3232E和RS485收发器SN65HVD-1176D相连。由于RS232／RS485通信均为有线通信，在恶劣的环境下，例如通信电缆受到雷击干扰，收发器可能由于过压而烧坏，甚至会影响MCU的正常工作，所以应该在收发器接线端子上加上合适的防雷保护电路。防雷保护电路可以分为三层保护：第一层用三个玻璃放电管组成一个三角形电路作为一级保护，可以把雷击电压降到数百伏；第二层用耐高压的TVS管，可以把传输线上的电压降到数十伏；第三层加上适当的电感或保险丝，用于进一步保护收发器。RS232／RS485通信模块的结构原理图如图4所示。