基于ARM9的RTU设计

引言

RTU(RemoteTenninalUnit)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系统中得到了大量的应用。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M/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pC/OS_II的RTU硬件、软件设计方法。

1RTU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uC/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。

图1     RTU系统结构图

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10〜48V，具有光耦隔离，隔离电压的有效值为2500V。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2500V。

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R,、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VN340ISP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4〜20mA或0〜5V，采用TI公司的ADS7952（采样频率为1MHz，12位分辨率，20MHz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RS485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。

图4     RS232/RS485通信模块结构原理图

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。

图5     以太网通信模块工作原理框图

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。

2RTU软件设计

该新型RTU内嵌uC/OS_II实时操作系统，数据传输协议采用Modbus协议。nC/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nC/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pC/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。

2.1Modbus/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［4］。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。1.5）和3.5个字符时间（65）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19200b/s时，这两个定时必须严格遵守；对于波特率大于19200b/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（45）为750”，帧间的超时时间（£3.5）为1.750ms。

2.2Modbus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。

2.3Modbus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、uC/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nC/OS_II的从站RTU程序

流程图如图6所示。

图6    从站RTU程序流程图

2.4系统初始任务TaskO

从站RTU经过系统基本初始化之后，还需要进一步的配置才能正常工作，而这部分的工作就在系统初始任务TaskO中实现。TaskO主要完成的工作有：读取E2PROM中的数据,获取各种配置信息；根据配置信息初始化各种硬件驱动（如Modbus传输波特率、RS232/RS485通信选择、夕卜部中断功能引脚选择、SPI和IIC总线初始化等等）；根据配置需求有选择地创建模拟量输入量任务Task2（AD采集任务）、数字量输入任务Task3,数字量输出任务Task4、读保持寄存器配置任务Task5和测温任务Task6；最后让一个LED指示灯定时闪烁表示RTU工作正常；接着进行任务调度，切换到已创建的、优先级高的其它就绪任务中运行并且实时响应外部中断（数字量输入）。系统初始任务Task0程序流程图如图7所示。

图7     系统初始任务Task0程序流程图

系统中的Task2主要完成AD采集任务Task2,本系统采用TI公司的ADS7952。ADS7952的AD采样率是根据其SPI传输波特率来换算的，改变MCU（S3C2440A）的SPI底层驱动程序中的SPI分频值就能实现不同AD采样率的选择。ADS7952可以根据E2PROM中的配置信息（采样率、通道数、采样点数）工作，也可以根据Task5中读取保持寄存器对应表中的数据位来实时更新配置。

Task3执行数字量输入任务，数字量输入包括开关量输入和脉冲信号量输入，可以把这两种功能的端口分开，也可以把这两种功能复用合并。功能复用合并实现方法：数字量输入口对应的MCU管脚先作为普通GPIO引脚，读取其GPIO状态寄存器获取高低电平状态（即开关状态），把开关状态写入Modbus离散输入寄存器中，接着把管脚功能从GPIO引脚切换到外部中断引脚，用于随时获取脉冲信号的输入，在外部中断函数中可以实现计数并且把计数值写入Modbus输入寄存器中。该任务执行时间必须短，代码必须简练，不能在其中加入延时之类的函数，任务挂起的时间也不能太长，不然会导致脉冲信号输入数据出现误码。

Task4主要完成数字量输出任务。主站RTU可以通过写线圈寄存器来控制从站RTU固态继电器的输出，也可以根据要求让从站RTU定时中断控制继电器输出PWM信号。同时主站RTU可以通过读线圈寄存器来获取从站RTU当前继电器的电平输出状态。

Task5可执行读保持寄存器配置任务。当Modbus保持寄存器中的数据发生变化时，根据保持寄存器对应表（与主站协商定义的一个从站配置表）对从站RTU进行相应配置，包括从站基本信息、AD采样率、AD通道数、AD采样点数、有线无线传输选择、UART波特率等等，同时把新的配置信息写入E2PROM中。配置代码应该放在卩C/OS-II临界区中，临界区中不响应中断，这样才能保证新配置的程序能正常地运行。

Task6执行测温任务。当RTU工作环境温度过高时，可能会影响RTU的正常工作，测温任务可以实时或定时把从站RTU工作温度值写入Modbus输入寄存器中，供主站RTU读取。

3结语

本文主要介绍了一种基于ARM9的RTU设计实现方法，对RTU硬件系统中的各个模块设计过程进行了详细的介绍，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，同时提出了基于此硬件系统的RTU从站软件设计方法。RTU从站采用nC/OS_II实时操作系统，数据传输釆用Modbus/RTU通信协议。该RTU可以应用于市政、能源、交通设施、环境、气象、地质、农业等有远程终端测控站点需求的行业回。

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