基于ARM9的RTU设计

MCU通过数据总线、地址总线、若干控制信号线与以太网控制器DM9000相连，以太网控制器的两对差分信号线接到合适的网络变压器上，同时为了保护以太网控制器，在网络变压器跟RJ45网口之间加入一个合适的ESD保护电路，可以消除外部环境的影响。以太网通信模块图工作原理如图5所示。

1．5 存储器模块和温度测量模块
存储器包括SDRAM、Norflash和Nandflash。SDRAM用来临时存放数据，确保程序能正常运行；Norflash用于存储程序；Nandflash用于存储数据，在RTU突然掉电或通信网络故障的情况下，Nandflash能把重要的数据信息保存起来，待到RTU再次上电并且网络通畅时，再把数据提取出来发送出去。
E2PROM可以用来存储RTU的初始配置信息，包括RTU设备基本属性、IP地址信息、网络参数、串口参数、主从模式选择和AD采样配置等信息。RTU上电运行时，先从E2PROM中读取配置信息，RTU初始化各个模块之后才能正常工作。
测温模块可以用来测量RTU的工作温度，并实时地或定时地向上传输其温度值，实现温度监控。

2 RTU软件设计
该新型RTU内嵌μC／OS-II实时操作系统，数据传输协议采用Modbus协议。μC／OS-II是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核，适用于工业控制中的实时监控。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通信采用主-从方式。Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。 Modbus／TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。在本文中，作为主站的RTU，内嵌的实时操作系统μC／OS-II实现上层Modbus／TCP协议与Modbus／RTU协议之间的通信(即上位机与计算机、上位机与下位机之间的通信)。而作为从站的RTU，内嵌的实时操作系统μC／OS-II实现Modbus／RTU协议通信(即上位机与下位机之间的通信)，对所连接的被测设备进行控制信息的输入输出以及RTU采集和输出模块的控制。以下主要介绍作为从站的RTU软件设计。
2．1 Modbus／RTU协议
Modbus串行链路协议是一个主-从协议。在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点(最大编号为247)连接于同一个串行总线。Modbus通信总是由主节点发起。子节点在没有收到来自主节点的请求时，从不会发送数据。子节点之间从不会互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。当设备使用RTU模式在Modbus串行链路通信时，报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符。这种模式的主要优点具有是较高的数据密度，而且在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。在RTU模式，报文帧由时长至少为3．5个字符时间的空闲间隔区分。如果两个字符之间的空闲间隔大于1．5个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。RTU接收驱动程序的实现，由于1．5个字符时间(t1．5)和3．5个字符时间(t3．5)的定时，隐含着大量的对中断的管理。在高通信速率下，这导致CPU负担加重。因此，在通信速率等于或低于19 200 b／s时，这两个定时必须严格遵守；对于波特率大于19 200 b／s的情形，应该使用2个定时的固定值：建议的字符间超时时间(t1．5)为750μs，帧间的超时时间(t3．5)为1．750ms。
2．2 Modbus数据模型
在一系列不同平台上，Modbus数据模式有不同的特性，基本平台有离散输入、线圈、输入寄存器和保持寄存器。在该新型RTU系统中，事先要与主站RTU协商定义好一个离散输入对应表、线圈对应表、输入寄存器对应表、保持寄存器对应表。主站RTU和从站RTU根据对应表中的数据位执行相应的操作。主站RTU读离散输入即读取从站RTU数字量输入状态；主站RTU写线圈即控制从站RTU数字量输出(继电器输出)；从站RTU模拟量输入(AD采集的数据)存储于输入寄存器中，供主站RTU读取：主站RTU通过写保持寄存器可以给从站RTU发送配置信息，从站RTU读保持寄存器执行相应操作。用来存储从站RTU的初始配置信息的E2PROM，就是通过读取相应的保持寄存器中数据，写入到E2PROM中，再对RTU重新配置。
2．3 Modbus从站
Modbus主站和Modbus从站是两个独立的模块，主站为上位机(客户机)，而从站为下位机(服务机)。主站和从站都有相同的数据链路层，并且它们的帧报文数据结构都是相同的。Modbus从站服务任务是从站协议的核心组成部分，它的主要工作是处理Modbus主站点功能请求，返回主站请求的保持寄存器、输入寄存器、线圈和离散量输入等值，或接收并保存主站写入的保持寄存器和线圈等值；另外，Modbus从站的应用程序也会读取或写入相关的寄存器。从站RTU程序流程：首先，初始化目标板、μC／OS-II、系统时基等等；接着，创建一个系统初始任务(优先级最高)和Modbus从站服务程序；再接着开始运行任务。基于μC／OS-II的从站RTU程序流程图如图6所示。