專利名稱：一種低功耗rtu微控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制器，具體涉及一種水情數(shù)據(jù)測報系統(tǒng)使用的低功耗RTU微控制
O
背景技術(shù)：
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)的遠端數(shù)據(jù)采集器RTU已不能適應(yīng)新的要求，亟需開發(fā)新的產(chǎn)品。早期的遠端采集器RTU—般選擇單片機，其主要的原因是實現(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(shè)計。另外由于處理能力不強，功 能的實現(xiàn)也受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需解決的問題是提供一種處理能力強、功能擴充性好的低功耗RTU微控制
ο為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計出一種低功耗RTU微控制器，包括有基于 ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器，所述的處理器分別與復(fù)位電路、FLASH、RAM、控制接口和通信 接口連接。更優(yōu)地，所述的處理器與開關(guān)穩(wěn)壓器連接，該開關(guān)穩(wěn)壓器與蓄電池或鋰離子電池 連接。更優(yōu)地，所述的處理器的型號為AT91SAM7X256或LPC2214或ST710FZ2或MSP430 或 STR710FZ2T6。更優(yōu)地，所述的處理器的型號為STR710FZ2T6，該處理器具有2256+16K的FLASH、 64K的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，在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。更優(yōu)地，所述的FLASH的型號為SST39VF3201，容量為32Mb/16位、3 μ A低功耗。更優(yōu)地，所述的RAM的型號為15611￥51216，它的容量為4]\&/16位、9口1低功耗。更優(yōu)地，所述的微控制器安裝有μ COSII實時操作系統(tǒng)。本發(fā)明低功耗RTU微控制器具有處理能力強，可擴展性好，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。本發(fā)明低功耗 RTU微控制器在平臺構(gòu)建上選用成熟可靠的RTOS和層次化、構(gòu)件化的設(shè)計思想構(gòu)建平臺軟 件，保證軟件穩(wěn)定、可靠，擴充新業(yè)務(wù)功能時軟件結(jié)構(gòu)體系保持不變。


圖1是本發(fā)明低功耗RTU微控制器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明低功耗RTU微控制器的軟件整體層次結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面將結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu) 原理作進一步的詳細描述如圖1所示，一種低功耗RTU微控制器，它包括有基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理 器，所述的處理器分別與復(fù)位電路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口連接，所述的處理器還 與開關(guān)穩(wěn)壓器連接，該開關(guān)穩(wěn)壓器與蓄電池或鋰離子電池連接。本發(fā)明低功耗RTU微控制器與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(dāng)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(yīng)的處理，處理完及時 返回低功耗守侯狀態(tài)。功耗設(shè)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(guān)電，因此CPU的功耗是設(shè)計的關(guān)鍵。所述的處理器的型號為AT91SAM7X256或LPC2214或ST710FZ2或MSP430或 STR710FZ2T6。優(yōu)選的處理器的型號為STR710FZ2T6，STR710FZ2T6是一顆基于ARM7TDMI內(nèi)核的 32位處理器，片上有豐富的資源2256+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(gòu)建一個通用的硬件平臺，對FLASH和RAM作適當(dāng)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3 μ A。RAM選用ISSI公司的 IS61WV51216，容量為4Mb/16位、低功耗待機工作9 μ W。由此構(gòu)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50 μ Α。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(shè)備的電源控 制，在待機時切斷它們的供電，保證按需啟動設(shè)備，為此設(shè)計擴展了一些控制接口。微控制器采用的電源設(shè)計也是關(guān)鍵的一步。本發(fā)明處理器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IOOmA左右，而睡眠模式下的電流 僅為50μΑ。兩種模式的差異導(dǎo)致了 CPU供電存在一定的難度。一般開關(guān)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(dāng)困難。負載在 50μΑ 500mA自身靜態(tài)功耗小于50 μ A的開關(guān)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100 μ A負載電流時的靜態(tài)功耗為 90 μ A0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(guān)穩(wěn)壓器LT3481。它靜態(tài)功耗僅為50 μ A，而且低輸 出時也有高的效率，50 μ A時達60 %，IOOmA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。本發(fā)明微控制器可以安裝了 μ C/0S-II操作系統(tǒng)，從8位到64位，μ C/0S-II已經(jīng) 在40多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。μ C/0S-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。μ C/0S-II是一種開放源代碼的單用戶多任務(wù)、完全占先式的硬實時內(nèi)核，實時性好。μ C/OS-II本身只包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù) 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(luò)之類的額外服務(wù)。但是由 于yC/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(wù)。一般的基于μ C/ OS-II的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)由四部分組成應(yīng)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0S_CPU. H、0S_CPU_A. S、0S_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。在本發(fā)明低功耗RTU微控制器中所有的應(yīng)用程序、yC/OS-II操作系統(tǒng)、文件系 統(tǒng)、硬件驅(qū)動程序，整體層次關(guān)系如圖2所示。μ C/OS-II沒有提供硬件驅(qū)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(shè)備驅(qū)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(yīng)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(yīng)用 程序提供統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)備調(diào)用接口，需要對設(shè)備的訪問操作進行抽象，應(yīng)用程序通過硬件 驅(qū)動程序的上層訪問抽象接口來訪問底層硬件。驅(qū)動程序的設(shè)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μ C/OS-II建立了如圖2中所示的驅(qū)動框架 模型，它主要有應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層、硬件驅(qū)動層和硬件層。驅(qū)動主要分兩個層次驅(qū)動程序 的上層訪問抽象接口和硬件設(shè)備驅(qū)動層。1)上層訪問抽象接口層，本接口層包含于操作系統(tǒng)層這層包括抽象接口和設(shè)備 管理核心數(shù)據(jù)兩部分。通過對設(shè)備訪問操作的抽象，為上層應(yīng)用提供了 5個訪問接口 API 函數(shù)0 611、徹￡1(1、^^切、10(^1~1、(10%，用于打開、讀、寫、控制和關(guān)閉設(shè)備。設(shè)備管理核心 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是驅(qū)動框架的核心，為系統(tǒng)中的每個硬件設(shè)備分配唯一的設(shè)備名，上層應(yīng)用程序 通過將設(shè)備名作為參數(shù)傳遞給API函數(shù)實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的核心管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定位尋址， 實現(xiàn)對設(shè)備的統(tǒng)一訪問控制。(2)硬件設(shè)備驅(qū)動模塊層這層是硬件設(shè)備驅(qū)動模塊功能的實現(xiàn)層，對各個硬件 設(shè)備的驅(qū)動在相應(yīng)的硬件設(shè)備驅(qū)動模塊中完成。分別完成設(shè)備的打開、讀、寫、控制和關(guān)閉 功能。為了使程序具有良好的可讀性、可維性，采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，即“自頂向 下，逐步求精"的程序設(shè)計方法和"單入口單出口"的控制結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)模塊組成的結(jié)構(gòu)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(chǔ)。本發(fā)明低功耗RTU微控制器在功耗管理方面，除CPU核的控制外，還要保證外設(shè)在 需要使用時及時上電，使用完后立即關(guān)閉，從而達到降低功耗的目的。對外設(shè)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(guān)斷外部設(shè)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(yán)格的計算控制。電臺設(shè)備從上電啟動到關(guān)閉分三個階段上 電啟動階段Tl，數(shù)據(jù)發(fā)送階段T2，等待數(shù)據(jù)發(fā)送階段T3。(1)設(shè)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(shè)備啟動時間Tl 設(shè)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(shè)備有關(guān)，需要看具體設(shè)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(dāng)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(shè)備自動控制。
(4)等待數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時間T3 有些通信設(shè)備帶有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)數(shù)據(jù)從串口發(fā) 送給通信設(shè)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(guān) 閉設(shè)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(shè)備關(guān)電時機當(dāng)T3結(jié)束后，立即關(guān)閉設(shè)備的電源。實際編程時Tl的值根據(jù) 具體的設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊來確定；T3的值也需要根據(jù)具體的設(shè)備來調(diào)試，以接收端能準(zhǔn)確可 靠的接收到數(shù)據(jù)，T3的值最小為準(zhǔn)。本發(fā)明低功耗RTU微控制器對處理器的功耗管理，處理器在沒有任務(wù)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(wù)連續(xù)運行狀態(tài)來判定。當(dāng)所有的任務(wù)都不 運行時，操作系統(tǒng)會自動運行空閑任務(wù)，當(dāng)空閑任務(wù)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(guān)閉所有的外設(shè)，讓處理器進入STOP模式。具體的實現(xiàn)是將原 有的空閑任務(wù)程序進行修改，增加一個記數(shù)器，當(dāng)記數(shù)到一定的數(shù)值(即一定的時間)后， 進入STOP模式。由于空閑任務(wù)隨時可能被別的任務(wù)搶先，當(dāng)重新執(zhí)行空閑任務(wù)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(wù)開始運行或執(zhí)行結(jié)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(dāng)COUNT記數(shù)到一定值，CPU 將進入STOP模式。本發(fā)明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500 μ A/12V，在 采用10ΑΗ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 μ COS-II操作系統(tǒng)，并編寫了硬件驅(qū)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(yīng)用程序開發(fā)人員編寫程序。本發(fā)明公開了一種基于ARM7和μ COSII的RTU低功耗設(shè)計方案。采用ARM7處理 機，又根據(jù)RTU設(shè)備工作特點設(shè)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(shè)計可大規(guī)模應(yīng)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。上述內(nèi)容，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用于限制本發(fā)明的實施方案，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，所做出的適當(dāng)變通或修改，都應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低功耗RTU微控制器，其特征在于包括有基于ARM7TDMI內(nèi)核的處理器，所述 的處理器分別與復(fù)位電路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的處理器為32位處理ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的處理器與開關(guān) 穩(wěn)壓器連接，該開關(guān)穩(wěn)壓器與蓄電池或鋰離子電池連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的處理器的型號為 AT91SAM7X256 或 LPC2214 或 ST710FZ2 或 MSP430 或 STR710FZ2T6。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的處理器的型號為 STR710FZ2T6,該處理器具有2256+16K的FLASH、64K的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，在片上和外部 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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的FLASH的型號為 SST39VF3201，容量為 32Mb/16 位、3 μ A 低功耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的RAM的型號為 IS61WV51216，它的容量為4Mb/16位、9 μ W低功耗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的微控制器安裝有 COSII實時操作系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低功耗RTU微控制器，包括有基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器，所述的處理器分別與復(fù)位電路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口連接，所述的處理器與開關(guān)穩(wěn)壓器連接，該開關(guān)穩(wěn)壓器與蓄電池或鋰離子電池連接。本發(fā)明低功耗RTU微控制器具有處理能力強、功能擴充性廣、功耗低的優(yōu)點。
文檔編號G05B19/04GK102096381SQ201010594818
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者朱報開, 林雄生, 漆青松, 金璐 申請人:東莞元創(chuàng)自控科技有限公司