基于μC/OS-III多參數(shù)RTU的設(shè)計(jì)

孫遠(yuǎn)，徐群

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210000）

基于μC/OS-III多參數(shù)RTU的設(shè)計(jì)

孫遠(yuǎn)，徐群

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210000）

文中提出了一種基于μC/OS-III操作系統(tǒng)的多功能、模塊化、多參數(shù)RTU的設(shè)計(jì)思路。硬件上采用cortex-m3內(nèi)核的stm32處理器，同時(shí)具有數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、SDI-12接口電路模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊以及以太網(wǎng)模塊。通信協(xié)議采用Modbus-RTU和Modbus-TCP協(xié)議。相較于普通RTU，本設(shè)計(jì)具有模塊化、多功能、并且支持SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并且硬件上具有低功耗、強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，軟件上具有多任務(wù)、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

模塊化；RTU；μC/OS-III；SDI-12；Modbus

遙測(cè)終端（Remote Tenninal Unit，RTU）是一種用于遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)闹悄芑b置?？蓮V泛應(yīng)用于水情自動(dòng)測(cè)報(bào)、水利工情監(jiān)測(cè)、油田油井工況監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。系統(tǒng)以cortex-m3處理器為核心，采用μC/OS-III操作系統(tǒng)，相比于arm9處理器，cortex-m3在功耗上和價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)，因此比較適合遙測(cè)終端的開發(fā)。

1 RTU硬件設(shè)計(jì)

基于μC/OS-III的遙測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，終端系統(tǒng)包括核心模塊和I/O模塊兩部分。其中，核心模塊集成有MCU、存儲(chǔ)器、電源、鍵盤及液晶顯示、SDI-12接口電路、以太網(wǎng)接口、RS485接口、RS232接口以及ZigBee模塊。I/O模塊則包括數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊等。其中I/O模塊屬于可配置模塊，可根據(jù)實(shí)際I/O接點(diǎn)數(shù)量靈活配置。文中MCU通過I/O總線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O模塊的輸入輸出操作[1]。

圖1 遙測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the remote tenninal unit

1.1 MCU選取

MCU處理芯片選用意法半導(dǎo)體的STM32系列，采用cortex-m3內(nèi)核，其具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)。相較于同級(jí)別的ARM7，其在性能上有大約30%的優(yōu)勢(shì)。它結(jié)合了Thumb兼容的Thumb-2指令集架構(gòu)，對(duì)代碼結(jié)構(gòu)起到了明顯的優(yōu)化作用。cortex-m3是一個(gè)32位的內(nèi)核，具有32位的數(shù)據(jù)路徑、寄存器和存儲(chǔ)器接口。同時(shí)，采用哈佛結(jié)構(gòu)的cortex-m3內(nèi)核，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓數(shù)據(jù)訪問和取指同時(shí)進(jìn)行，因此性能上得到了進(jìn)一步加強(qiáng)[2]。

1.2 I/O總線設(shè)計(jì)

RTU共配置兩組8位I/O總線，兩組16位I/O總線，如圖2所示。

圖2 I/O總線設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design of the I/O bus

8位I/O總線可外接8位數(shù)字量輸入/輸出模塊、8位并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)，8位I/O總線還具備SPI總線功能，可外接串行輸入/輸出模塊和串行A/D轉(zhuǎn)換器。16位I/O總線可外接12/16位并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器以及16位數(shù)字量輸入/輸出模塊。每一位總線接口都和MCU上一個(gè)GPIO引腳相連接，當(dāng)需要使用輸入輸出模塊時(shí)，只需要將模塊安裝在I/O總線接口上，并進(jìn)行軟件上的配置就可以實(shí)現(xiàn)。這樣設(shè)計(jì)可以有效利用MCU資源，用戶可根據(jù)實(shí)際需求，選擇連接模塊的數(shù)量和類型。

1.3 SDI-12接口電路

SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)水文、氣象、水質(zhì)儀器生產(chǎn)廠家根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水資源處的要求統(tǒng)一商定的。該接口具有如下適用范圍：

1）邊遠(yuǎn)地區(qū)電池供電且電流較小的智能儀器；

2）系統(tǒng)整體低成本；

3）記錄器和傳感器之間的連接電纜可達(dá)60 m；

4）數(shù)據(jù)記錄器可通過一根電纜連接多個(gè)傳感器。

在我國(guó)，傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用RS232、RS485、RS422等接口標(biāo)準(zhǔn)，相比而言，SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)有如下優(yōu)勢(shì)：

1）統(tǒng)一了硬件接口協(xié)議和通信協(xié)議，便于數(shù)據(jù)記錄器的批量生產(chǎn)以及傳感器的互換；

2）降低系統(tǒng)集成成本，可連接多個(gè)傳感器并且儀器通信功耗低；

3）安裝與維護(hù)方便。

SDI-12總線的工作原理如圖3所示，帶有SDI-12接口電路的數(shù)據(jù)記錄器，通過SDI-12總線，僅有數(shù)據(jù)線、電源線、地線三根線，就可以連接多臺(tái)符合SDI-12接口標(biāo)準(zhǔn)的傳感器[3]。

圖3 SDI-12總線工作原理圖Fig.3 Operating principle of the SDI-12 bus

2 RTU軟件設(shè)計(jì)

RTU內(nèi)嵌μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用Modbus通訊協(xié)議。μC/OS-III是一個(gè)可升級(jí)，可固化的基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)內(nèi)核。Modbus協(xié)議包括 3種方式：ASCII、RTU和 Modbus/ TCP。ASCII和RTU方式是通過串口形式通訊，而TCP則是通過以太網(wǎng)形式通訊。

2.1 μC/OS-III操作系統(tǒng)移植

μC/OS-III是Micrium公司推出的，源于μC/OS-II的新版操作系統(tǒng)。與μC/OS-II一樣，其源碼遵循ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，因此具有良好的移植性。相較于μC/OS-II，μC/OS-III操作系統(tǒng)作出了很大的改進(jìn)。任務(wù)的數(shù)量不再受限于系統(tǒng)本身，僅受限于系統(tǒng)存儲(chǔ)器的大小。而基本的μC/OS-II系統(tǒng)最大僅能支持64個(gè)任務(wù)。在μC/OS-III系統(tǒng)中，多個(gè)任務(wù)可以運(yùn)行于同一優(yōu)先級(jí)上，這些相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。由于采用了延遲中斷處理機(jī)制，因此系統(tǒng)的中斷延遲被大大的縮短了。引入了時(shí)間戳的概念，系統(tǒng)通過32位計(jì)數(shù)器精確計(jì)算各個(gè)任務(wù)的CPU使用率、最長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間、最長(zhǎng)關(guān)調(diào)度器時(shí)間等?？傊藽/OS-III在μC/OS-II的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的升級(jí)于改進(jìn)，但是其對(duì)硬件的要求并沒有提高[4]。

μC/OS-III系統(tǒng)的移植方法與μC/OS-II類似，都是修改與內(nèi)核、CPU相關(guān)的文件以及創(chuàng)建板級(jí)支持包（BSP），具體過程可以歸納為如下：

1）編寫os_cpu.h文件。該頭文件的功能包括統(tǒng)一使用的數(shù)據(jù)類型、設(shè)置堆棧屬性以及對(duì)時(shí)間戳獲取函數(shù)和任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行宏定義。

2）編寫os_cpu_a.asm文件。該文件包括OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）等任務(wù)切換相關(guān)的底層函數(shù)。OSStartHighRdy（）函數(shù)的功能是設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位OSRunning=TRUE；將就緒表中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的棧指針加載到SP中并強(qiáng)制中斷返回。OSCtxSw（）是在任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用，其功能是保存任務(wù)的環(huán)境變量，保存當(dāng)前任務(wù)SP并載入最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP，恢復(fù)就需最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的環(huán)境變量，實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)切換。OSIntCtxSw（）實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換，該過程無需進(jìn)行堆棧操作，只需要對(duì)棧指針進(jìn)行調(diào)整即可。

3）編寫os_cpu_c.c文件。該文件包含OSTaskStkInit（）函數(shù)和用于擴(kuò)展用戶功能的鉤子函數(shù)。OSTaskStk Init（）函數(shù)的功能是用于初始化任務(wù)堆棧，并返回新的棧頂位置。

圖4 RTU系統(tǒng)配置流程圖Fig.4 The configuration flow chart of RTU system

4）編寫cpu.h文件。cpu.h是與cpu相關(guān)的頭文件，其主要包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型、字長(zhǎng)、堆棧、臨界區(qū)等的相關(guān)定義。

5）編寫cpu_a.asm文件。其主要功能是臨界區(qū)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，通過用戶設(shè)置的臨界區(qū)方法中斷使能函數(shù)。

6）編寫板級(jí)支持包（BSP）。根據(jù)需要移植相關(guān)硬件的初始化函數(shù)和驅(qū)動(dòng)程序，包括RCC、GPIO、NVIC、LEDLCD等。

2.2 M odbus通訊協(xié)議

Modbus通訊協(xié)議為不同控制器之間，控制器與其它設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。Modbus通訊協(xié)議定義了控制器能夠識(shí)別的消息結(jié)構(gòu)，采用主/從總線型連接方式，規(guī)定了命令和響應(yīng)的交互機(jī)制。該協(xié)議支持RS-232、RS-485、RS-422以及以太網(wǎng)設(shè)備。Modbus協(xié)議包括的3種方式，這里主要用到的有Modbus/RTU和Modbus/TCP兩種。Modbus/TCP協(xié)議是一種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，通過該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)RTU與計(jì)算機(jī)之間的以太網(wǎng)通信。而Modbus/RTU協(xié)議運(yùn)行于RS-232、RS485等串行接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)Modbus主站站與Modbus從站之間的通信[5]。Modbus/RTU協(xié)議在通信時(shí)除了需要進(jìn)行奇偶校驗(yàn)外還需要進(jìn)行16位CRC校驗(yàn)，而Modbus/TCP協(xié)議則沒有規(guī)定額外的校驗(yàn)。

在實(shí)際使用中，當(dāng)RTU與計(jì)算機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信時(shí)，則采用Modbus/TCP協(xié)議，此時(shí)，RTU將不斷接收來自網(wǎng)絡(luò)的查詢命令，并實(shí)時(shí)響應(yīng)。當(dāng)RTU作為從站進(jìn)行串口通信時(shí)，則采用Modbus/RTU協(xié)議。得益于RTU模塊化的設(shè)計(jì)，所以無論作為主站還是作為從站，只需要在軟件上進(jìn)行相關(guān)配置即可。

RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化開發(fā)板和μC/OS-III，然后進(jìn)行串口配置，主要配置系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贰⒉ㄌ芈?、?shù)據(jù)位和停止位，接下來配置以太網(wǎng)的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等，然后再對(duì)輸入輸出模塊以及SDI-12接口進(jìn)行配置，最后，作為主站的RTU和作為從站的RTU將分別執(zhí)行主站服務(wù)程序和從站服務(wù)程序，主站服務(wù)程序如圖5所示，從站服務(wù)程序如圖6所示。

圖5 主站服務(wù)程序Fig.5 Service program of the main station

圖6 從站服務(wù)程序Fig.6 Service program of the slave station

主站RTU通過RS485總線或者ZigBee模塊與各從站RTU連接，主要執(zhí)行輪詢各從站，接收各從站數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在指定的存儲(chǔ)設(shè)備中。同時(shí)，通過Modbus-TCP協(xié)議，創(chuàng)建以太網(wǎng)服務(wù)器任務(wù)，與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6]。

Zigbee模塊通過與RTU的RS-232接口相連接，組成一個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)，可與路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

從站RTU主要執(zhí)行一些現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)遙測(cè)任務(wù)，包括輸入輸出模塊任務(wù)、SDI-12數(shù)據(jù)采集任務(wù)、讀取保持寄存器任務(wù)等。

系統(tǒng)上電后，若RTU工作在主站狀態(tài)，將獲取各從站的配置信息，并根據(jù)實(shí)際情況配置各從站，配置成功后，主站開始對(duì)各從站進(jìn)行掃描，并處理從站發(fā)出的報(bào)文；每掃描完一個(gè)從站，主站便存儲(chǔ)從站輪詢到的信息；若上位機(jī)有請(qǐng)求命令，則主站RTU將會(huì)根據(jù)Modbus/TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳。若RTU工作在從站狀態(tài)，則采集I/O總線接口以及SDI-12接口電路傳輸來的數(shù)據(jù)，并等待主站RTU的輪詢；當(dāng)收到輪詢信號(hào)后，將按照Modbus/RTU協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。

任務(wù)調(diào)度由μC/OS-III操作系統(tǒng)來執(zhí)行，μC/OS-III是多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)于不同的通信任務(wù)、輸入/輸出任務(wù)、鍵盤顯示任務(wù)，系統(tǒng)通過優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行任務(wù)的中斷與切換，對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，系統(tǒng)通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法來調(diào)度，及為每個(gè)任務(wù)分配固定的時(shí)間片做為允許運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)任務(wù)時(shí)間片運(yùn)行結(jié)束時(shí)，cpu將被剝奪并分配給另一個(gè)任務(wù)。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了一款基于μC/OS-III的模塊化RTU的設(shè)計(jì)思路。其中對(duì)于SDI-12接口電路模塊的原理以及I/O總線設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。另外，本文還介紹了μC/OSIII這款新型的操作系統(tǒng)以及它的移植方法。本設(shè)計(jì)中，RTU主要采用了Modbus通信協(xié)議。同時(shí)，結(jié)合操作系統(tǒng)與通信協(xié)議，引出了本文軟件的設(shè)計(jì)思路。該RTU可廣泛應(yīng)用于水文、土壤、環(huán)境、電力、計(jì)量站等有多參數(shù)遙測(cè)的各行業(yè)。當(dāng)然，由于個(gè)人的時(shí)間和精力有限，本設(shè)計(jì)還有不足之處，在功能模塊的擴(kuò)展方面，還有待更深入的研究。

[1]彭道剛，張浩，李輝，等.基于Modbus協(xié)議的ARM嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（1）:115-119. PENG Dao-gang，ZHANG Hao，LI Hui，et al.Design and implementation of ARM embedded monitoring platform based on Modbus protocol[J].Electric Power Automation Equipment，2009，29（1）:115-119.

[2]丁力，宋志平，徐萌萌，等.基于STM32的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（44）:260-265. DING Li，SONG Zhi-ping，XU Meng-meng，et al.Design of embedded measurement and control system based on STM32 [J].Journal of Central South University，2013(44):260-265.

[3]擺玉龍，董存輝，單吉明.基于SDI-12總線的生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28（3）: 453-458. BAI Yu-long，DONG Cun-hui，SHAN Ji-ming.Design and implementation of eco-hydrological data acquisition system based on SDl-12 Bus[J].Remote Sensing Technology and Application，2013，28（3）:453-458.

[4]Jean J.Labrosse.μC/OS-III The Real-tim-Kernel User’s Manual[M].USA:CMP Book，2010.

[5]李永強(qiáng)，單鳴雷，朱昌平.基于Modbus協(xié)議的多功能數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（3）:839-841. LI Yong-qiang，SHAN Ming-lei，ZHU Chang-ping.Design of modbus protocol一 based multifunction data acquisition device[J].Computer Measurement and Control，2014，22（3）: 839-841.

[6]劉沛津，谷立臣.基于Modbus/TCP的火電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成及網(wǎng)絡(luò)通信控制器研制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（8）：128-131. LIU Pei-jin，GU Li-chen.Controller for real-time data collection and network communication based on modbus/TCP in thermal power plant[J].Electric Power Automation Equipment，2009，29（8）：128-131.

Design of multi parameter RTU based on μC/OS-III

SUN Yuan，XU Qun
（College of Energy and Electrical，Hohai University，Nanjing 210000，China）

This paper proposes a design idea of RTU which is multi-function，modular and based on μ C/OS-III operating system.The hardware adopts STM32 processor with Cortex-M3 core.It mainly has digital input and output module，analog input module，SDI-12 interface module，RS232 communication module，RS485 communication module and Ethernet module. Communication protocol using Modbus-RTU and Modbus-TCP protocol.Compared with ordinary RTU，it has the advantages of modular，multifunctional and can be used with the SDI-12 interface standards.It alos has much advantages in the lower power consumption，powerful computing ability，storage ability，multi task，real-time，etc.

module；RTU；C/OS-III；SDI-12；Modbus

TN98

A

1674－6236（2015）07-0155-04

2014-07-02 稿件編號(hào)：201407015

孫 遠(yuǎn)（1989—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：嵌入式理論與應(yīng)用。