专利名称：一种低功耗rtu微控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制器，具体涉及一种水情数据测报系统使用的低功耗RTU微控制
O
背景技术：
随着我国在水情数据采集系统的信息化和现代化步伐的加快，需要采集的数据种 类增多，采集的站点数增加，对数据采集的速度和质量都提出了新的要求，传统的水情数据 测报系统的远端数据采集器RTU已不能适应新的要求，亟需开发新的产品。早期的远端采集器RTU—般选择单片机，其主要的原因是实现简单。但也带来了 一个问题，功能扩充性特别差，稍作改变，软硬件就要重新设计。另外由于处理能力不强，功 能的实现也受到限制。
发明内容
本发明需解决的问题是提供一种处理能力强、功能扩充性好的低功耗RTU微控制
ο为了实现上述目的，本发明设计出一种低功耗RTU微控制器，包括有基于 ARM7TDMI内核的32位处理器，所述的处理器分别与复位电路、FLASH、RAM、控制接口和通信 接口连接。更优地，所述的处理器与开关稳压器连接，该开关稳压器与蓄电池或锂离子电池 连接。更优地，所述的处理器的型号为AT91SAM7X256或LPC2214或ST710FZ2或MSP430 或 STR710FZ2T6。更优地，所述的处理器的型号为STR710FZ2T6，该处理器具有2256+16K的FLASH、 64K的RAM、4路12位AD、4路硬件串行收发接口、5个16位定时器、1个硬件CAN接口、1个 RTC时钟、1个WDT看门狗，在片上和外部扩展资源共同占据4GB地址空间，可方便实现外部 存储器和其它资源的扩充。更优地，所述的FLASH的型号为SST39VF3201，容量为32Mb/16位、3 μ A低功耗。更优地，所述的RAM的型号为15611￥51216，它的容量为4]\&/16位、9口1低功耗。更优地，所述的微控制器安装有μ COSII实时操作系统。本发明低功耗RTU微控制器具有处理能力强，可扩展性好，运行的软件系统具有 可移植性，可以移植到不同的硬件平台，可以根据需要配置不同的传感器。本发明低功耗 RTU微控制器在平台构建上选用成熟可靠的RTOS和层次化、构件化的设计思想构建平台软 件，保证软件稳定、可靠，扩充新业务功能时软件结构体系保持不变。
图1是本发明低功耗RTU微控制器的结构示意图2是本发明低功耗RTU微控制器的软件整体层次结构示意图。
具体实施例方式为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明的结构 原理作进一步的详细描述如图1所示，一种低功耗RTU微控制器，它包括有基于ARM7TDMI内核的32位处理 器，所述的处理器分别与复位电路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口连接，所述的处理器还 与开关稳压器连接，该开关稳压器与蓄电池或锂离子电池连接。本发明低功耗RTU微控制器与各种类型的传感器接口及通信接口，平时处于守侯 状态，当有外部事件或定时处理事件时，由中断信号唤醒CPU进行相应的处理，处理完及时 返回低功耗守侯状态。功耗设计是一个很重要的问题。因为RTU是靠电池工作的，这就要 求RTU低功耗工作，考虑到RTU大部分时间处于低功耗守候状态，守候时仅CPU在工作，其 它部分已关电，因此CPU的功耗是设计的关键。所述的处理器的型号为AT91SAM7X256或LPC2214或ST710FZ2或MSP430或 STR710FZ2T6。优选的处理器的型号为STR710FZ2T6，STR710FZ2T6是一颗基于ARM7TDMI内核的 32位处理器，片上有丰富的资源2256+16K片上FLASH，64K片内RAM，4路12位AD，4路硬 件串行收发接口，5个16位定时器，1个硬件CAN接口，1个RTC时钟，1个WDT看门狗。片 上和外部扩展资源共同占据4GB地址空间，可方便实现外部存储器和其它资源的扩充。为了构建一个通用的硬件平台，对FLASH和RAM作适当扩展，保证RTU模块将来 的功能升级不受限制。FLASH程序空间扩展为4MB，RAM扩展为512KB。FLASH选用SST 公司的SST39VF3201，容量为32Mb/16位、低功耗模式典型3 μ A。RAM选用ISSI公司的 IS61WV51216，容量为4Mb/16位、低功耗待机工作9 μ W。由此构成一个非常紧凑的微控制器 核，如图1所示。整个处理机核的待机功耗小于50 μ Α。对于低功耗处理机核，还有一个重要的考虑是对外围接口和接口设备的电源控 制，在待机时切断它们的供电，保证按需启动设备，为此设计扩展了一些控制接口。微控制器采用的电源设计也是关键的一步。本发明处理器供电部分有其特殊的 需求，分为工作模式和睡眠模式两种，工作模式下的电流IOOmA左右，而睡眠模式下的电流 仅为50μΑ。两种模式的差异导致了 CPU供电存在一定的难度。一般开关电源甚至模块电 源都有较大的静态功耗(40mA左右)，选用模块电源对主控CPU的供电相当困难。负载在 50μΑ 500mA自身静态功耗小于50 μ A的开关电源目前很难找到。有少数专供超低功耗 模式CPU供电的LDO电压调整器可实现，如SPX3819，其100 μ A负载电流时的静态功耗为 90 μ A0但效率太低，70 80%的电能被白白浪费了，不适合蓄电池供电。基于以上原因， 对CPU的供电另选用一款降压型的开关稳压器LT3481。它静态功耗仅为50 μ A，而且低输 出时也有高的效率，50 μ A时达60 %，IOOmA高达86 %，特别适合微控制器核供电，如图1蓄 电池直接连到LT3481，向CPU提供电源。本发明微控制器可以安装了 μ C/0S-II操作系统，从8位到64位，μ C/0S-II已经 在40多种不同架构的微处理器上使用。μ C/0S-II的功能和函数经过考验和测试，具有足 够的安全性与稳定性。μ C/0S-II是一种开放源代码的单用户多任务、完全占先式的硬实时内核，实时性好。μ C/OS-II本身只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务 间的通信与同步等功能，没有提供输入输出管理、文件系统、网络之类的额外服务。但是由 于yC/OS-II的可移植性和开源性，用户可以自己添加所需的各种服务。一般的基于μ C/ OS-II的嵌入式应用系统由四部分组成应用程序代码、配置程序、移植代码、核心代码。操 作系统移植通过编写移植代码来完成。除了编写0S_CPU. H、0S_CPU_A. S、0S_CPU_C. C等几 个文件外，还要编写初始化启动代码。我们通过改写SmartARM2210开发板的这部分代码完 成了移植，并能在自研的核心板上稳定运行。在本发明低功耗RTU微控制器中所有的应用程序、yC/OS-II操作系统、文件系 统、硬件驱动程序，整体层次关系如图2所示。μ C/OS-II没有提供硬件驱动程序的内核接 口和用户接口，为了让程序移植性好，需要对设备驱动程序按类型进行统一的封装，提供统 一的编程接口，使应用程序开发人员可以不考虑具体硬件的细节就可以编程。给上层应用 程序提供统一的系统设备调用接口，需要对设备的访问操作进行抽象，应用程序通过硬件 驱动程序的上层访问抽象接口来访问底层硬件。驱动程序的设计借鉴了 Linux系统的成功 经验，同时考虑到嵌入式操作系统的特殊性，为μ C/OS-II建立了如图2中所示的驱动框架 模型，它主要有应用层、操作系统层、硬件驱动层和硬件层。驱动主要分两个层次驱动程序 的上层访问抽象接口和硬件设备驱动层。1)上层访问抽象接口层，本接口层包含于操作系统层这层包括抽象接口和设备 管理核心数据两部分。通过对设备访问操作的抽象，为上层应用提供了 5个访问接口 API 函数0 611、彻￡1(1、^^切、10(^1~1、(10%，用于打开、读、写、控制和关闭设备。设备管理核心 数据结构是驱动框架的核心，为系统中的每个硬件设备分配唯一的设备名，上层应用程序 通过将设备名作为参数传递给API函数实现对相应设备的核心管理数据结构的定位寻址， 实现对设备的统一访问控制。(2)硬件设备驱动模块层这层是硬件设备驱动模块功能的实现层，对各个硬件 设备的驱动在相应的硬件设备驱动模块中完成。分别完成设备的打开、读、写、控制和关闭 功能。为了使程序具有良好的可读性、可维性，采用了结构化程序设计方法，即“自顶向 下，逐步求精"的程序设计方法和"单入口单出口"的控制结构，从问题本身开始，经过逐 步细化，将解决问题的步骤分解为由基本程序结构模块组成的结构化程序框图，使每一个 模块的功能变单纯而明确，为下一步软件的功能扩充和修改打下了良好的基础。本发明低功耗RTU微控制器在功耗管理方面，除CPU核的控制外，还要保证外设在 需要使用时及时上电，使用完后立即关闭，从而达到降低功耗的目的。对外设的功耗管理通 过IO输出口来控制MOS管的通断，从而打开或关断外部设备的电源。通信电台的功耗最大， 占系统耗电量的比例大，需要严格的计算控制。电台设备从上电启动到关闭分三个阶段上 电启动阶段Tl，数据发送阶段T2，等待数据发送阶段T3。(1)设备上电的时机信道编码后，需要发送数据时打开。(2)设备启动时间Tl 设备从上电到可以发送数据需要一个过渡时间，具体的时 间值与设备有关，需要看具体设备的手册。(3)数据发送时间T2 这里的数据发送时间是指数据通过串口发送出去的时间， 当数据从串口发出后，程序会返回一个数据发送完毕的信息，T2时间由接口设备自动控制。
(4)等待数据发送结束时间T3 有些通信设备带有数据缓冲区，当数据从串口发 送给通信设备时，不是立即就将数据发送出去，而是先暂存在数据缓冲区，此时如果立即关 闭设备电源，可能有数据没有发送完，所以需要一个等待时间。(5)设备关电时机当T3结束后，立即关闭设备的电源。实际编程时Tl的值根据 具体的设备的数据手册来确定；T3的值也需要根据具体的设备来调试，以接收端能准确可 靠的接收到数据，T3的值最小为准。本发明低功耗RTU微控制器对处理器的功耗管理，处理器在没有任务可做时要进 入低功耗状态STOP模式，在程序中通过空闲任务连续运行状态来判定。当所有的任务都不 运行时，操作系统会自动运行空闲任务，当空闲任务连续运行超过一定的时间后(超过程 序中需要的最大等待时间)，关闭所有的外设，让处理器进入STOP模式。具体的实现是将原 有的空闲任务程序进行修改，增加一个记数器，当记数到一定的数值(即一定的时间)后， 进入STOP模式。由于空闲任务随时可能被别的任务抢先，当重新执行空闲任务时，如接着抢先点 继续执行，全局变量COUNT没有被清零，所以在每个任务开始运行或执行结束后，都需要对 COUNT清零，这样可以保证COUNT重新记数，在FOR循环语句中，当COUNT记数到一定值，CPU 将进入STOP模式。本发明RTU微控制器经过试运行后，功耗满足要求，静态功耗小于500 μ A/12V，在 采用10ΑΗ的蓄电池加太阳能板(容量灵活组合)，可以保证系统无日照50天正常工作。由 于采用了 μ COS-II操作系统，并编写了硬件驱动程序的内核接口和用户接口，使程序具有 良好的移植性，也方便了应用程序开发人员编写程序。本发明公开了一种基于ARM7和μ COSII的RTU低功耗设计方案。采用ARM7处理 机，又根据RTU设备工作特点设计了电源功耗管理软件，实现了 RTU高的处理能力、低的功 耗及长时间的电池供电。该设计可大规模应用在全国水情测报系统中，将会有500万以上 的经济效益。上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域技 术人员根据本发明的构思，所做出的适当变通或修改，都应在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种低功耗RTU微控制器，其特征在于包括有基于ARM7TDMI内核的处理器，所述 的处理器分别与复位电路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口连接。
2.根据权利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的处理器为32位处理ο
3.根据权利要求1或2所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的处理器与开关 稳压器连接，该开关稳压器与蓄电池或锂离子电池连接。
4.根据权利要求3所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的处理器的型号为 AT91SAM7X256 或 LPC2214 或 ST710FZ2 或 MSP430 或 STR710FZ2T6。
5.根据权利要求4所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的处理器的型号为 STR710FZ2T6,该处理器具有2256+16K的FLASH、64K的RAM、4路12位AD、4路硬件串行收 发接口、5个16位定时器、1个硬件CAN接口、1个RTC时钟、1个WDT看门狗，在片上和外部 扩展资源共同占据4GB地址空间，可方便实现外部存储器和其它资源的扩充。
6.根据权利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的FLASH的型号为 SST39VF3201，容量为 32Mb/16 位、3 μ A 低功耗。
7.根据权利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的RAM的型号为 IS61WV51216，它的容量为4Mb/16位、9 μ W低功耗。
8.根据权利要求1所述的低功耗RTU微控制器，其特征是所述的微控制器安装有 COSII实时操作系统。
全文摘要
本发明公开了一种低功耗RTU微控制器，包括有基于ARM7TDMI内核的32位处理器，所述的处理器分别与复位电路、FLASH、RAM、控制接口和通信接口连接，所述的处理器与开关稳压器连接，该开关稳压器与蓄电池或锂离子电池连接。本发明低功耗RTU微控制器具有处理能力强、功能扩充性广、功耗低的优点。
文档编号G05B19/04GK102096381SQ201010594818
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者朱报开, 林雄生, 漆青松, 金璐 申请人:东莞元创自控科技有限公司