基于ARM与μClinux系统的RTU设计

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μClinux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μClinux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S3C4510B[2]和μClinux[3]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-D0～H-D7；地址总线H-A0～H-A7；地址片选信号H-S0～H-S6；读写控制信号H-WR和H-RD；地址锁存控制信号H-ALE；中断服务请求控制信号H-INT0～H-INT3；复位信号H-RESET。
　　

使用处理器的如下总线信号驱动RTU母板总线：地址总线A0～A11、数据总线D0～D7、读使能控制信号nOE、写使能控制信号nWBE0、外设(I/O)地址片选信号nECS0，以及4根中断控制信号线nINREQ0～nINREQ3。

1.2.1 总线驱动电路
　　

为兼容测控接口电路较常用的器件，母板总线按照5V的TTL电平设计。S3C4510B总线是3.3V的CMOS电平。
　　

处理器总线与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S0～S7，其中S0～S6由总线驱动芯片74LS244驱动后，作为RTU母板总线地址片选信号。

1.2.2 地址锁存信号ALE实现
　　

一些常用的芯片，如CAN总线控制器SJA1000、时钟芯片DS12887等，内部带一个地址锁存器，需要地址锁存信号ALE，才能实现接口。S3C4510B没有ALE信号，所以母板总线扩展ALE信号，才能实现这类器件的接口。
　　

将U1的一个地址片选信号S7取反，写数据到S7地址，可以模拟出ALE控制信号，并实现ALE的功能。

1.2.3 RTU母板总线的地址和访问速度
　　

RTU母板总线作为处理器的一个外设，其地址和访问速度由处理器决定。
　　

S3C4510B总线统一编址。nECS0是外设地址片选信号，占外设地址空间起始的16K字节。
　　

nECS0接U3使能端，决定RTU母板总线的基地址和访问速度。S3C4510B控制寄存器EXTDBWTH第20位置1、21位置0，表示nECS0按8位方式寻址。寄存器REFEXTCON的低10位设为0x360，则nECS0的基地址是0x3600000。
　　

置控制寄存器EXTACON0为0x0fff，则S3C4510B对RTU母板总线的读写时间是7个CPU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