RISC-V處理器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

黃平 袁佳 朱靜 羊日飛

摘 要：遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。針對物聯(lián)網(wǎng)智能充電樁的實(shí)時(shí)有功功率監(jiān)測，研究設(shè)計(jì)了一種以RISC-V架構(gòu)處理器GD32VF103為主控芯片，以功率計(jì)量芯片HLW8012測量有功功率，以SIM800C模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)提供無線連接方式的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端。系統(tǒng)采用的主控芯片是一款基于開源免費(fèi)RISC-V架構(gòu)的國產(chǎn)32位通用微控制器，具備高效的處理效能與均衡的系統(tǒng)資源，適用于工業(yè)控制、新興IoT等領(lǐng)域。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)具有通用性，可以為其他遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：RISC-V;GD32VF103;GPRS;SIM800C;遠(yuǎn)程監(jiān)測;HLW8012

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的綜合應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其中的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用也越來越廣泛，如當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)智能充電樁，其包含對充電電壓、電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測，是一種典型的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端。在此背景下，本文介紹了一種遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)，它以RISC-V處理器為主控制器，以SIM800C模塊通過GPRS無線技術(shù)遠(yuǎn)程接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通常由移動(dòng)設(shè)備（前端）、云服務(wù)器（后端）、嵌入式設(shè)備（終端）組成，具體如圖1所示。

（1）前端運(yùn)行有APP或其他小程序，提供與用戶交互的界面。

（2）后端是云服務(wù)器上運(yùn)行的后臺(tái)服務(wù)程序，后端作為系統(tǒng)核心，具有連接前端與終端的作用，同時(shí)承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等職責(zé)。

（3）終端嵌入式設(shè)備與傳感器連接，負(fù)責(zé)采集物理世界的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，經(jīng)適當(dāng)處理后傳輸至后端服務(wù)器。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)終端以RISC-V處理器為主控芯片，通過連接單相電能計(jì)量芯片采集充電樁實(shí)時(shí)充電的有功功率，將該有功功率值作為傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)SIM800C模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，以TCP/IP協(xié)議連接后端服務(wù)器，不間斷傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器后端。終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 RISC-V內(nèi)核的微處理器GD32VF103

GD32VF103芯片是基于RISC-V內(nèi)核的32位通用微控制器。RISC-V是由加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)并發(fā)布的一種開源指令集架構(gòu)[1]。RISC-V架構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

（1）具有簡潔精練的指令集，其基本的RISC-V指令數(shù)目僅有40多條;

（2）具有模塊化架構(gòu)，其指令集使用模塊化方式進(jìn)行組織，通過模塊化擴(kuò)展指令數(shù)量并適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

GD32VF103微控制器內(nèi)部采用RISC-V架構(gòu)的RV32IMAC組合指令集，其適用于低功耗、小面積的嵌入式應(yīng)用[2]。

GD32VF103微控制器主頻為108 MHz，內(nèi)置128 KB FLASH存儲(chǔ)器與32 KB SRAM存儲(chǔ)器，采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用獨(dú)立的總線讀取指令和訪問數(shù)據(jù)。內(nèi)部集成有豐富的外設(shè)資源：16位定時(shí)器（5個(gè)），ADC/DAC（模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換），U（S）ART，I2C，SPI/I2S，CAN，USB FS等通信接口以及通用GPIO口。本系統(tǒng)使用該款芯片作為核心控制器較為合適。

2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊SIM800C

SIM800C模塊是一款性能穩(wěn)定，性價(jià)比高的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，其工作頻率支持4頻850/900/1 800/1 900 MHz全球使用，可以實(shí)現(xiàn)語言、SMS、傳真和數(shù)據(jù)信息的低功耗傳輸。

主控芯片通過AT命令集對SIM800C模塊進(jìn)行控制，模塊與遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行TCP連接后可將本地系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，同時(shí)也可接收服務(wù)器發(fā)來的控制命令。模塊供電范圍為3.4～4.4 V，發(fā)射功率支持1 W或2 W，硬件由1路標(biāo)準(zhǔn)的全功能串口與主控芯片連接。

2.3 功率計(jì)量芯片HLW8012

HLW8012是深圳合力為科技推出的單相電能計(jì)量芯片，可以測量有功功率、電壓、電流有效值，被廣泛應(yīng)用于智能家電、智能路燈等場合[3]。HLW8012通過VIP，VIN引腳外接康銅電阻采樣電流信號(hào)，V2P引腳采樣電壓信號(hào)，芯片內(nèi)部計(jì)算出有功功率，經(jīng)CF引腳輸出占空比為50%的脈沖信號(hào)，主控制器通過測量CF引腳脈沖信號(hào)的周期得到測量的有功功率值。

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)

主控芯片GD32VF103采用3.3 V電源供電，外接8 MHz無源晶振作為時(shí)鐘源，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻產(chǎn)生108 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。GD32VF103的通用GPIO口有5組，分別為PA，PB，PC，PD和PE，每組各有16個(gè)GPIO引腳。本電路選用其中一個(gè)引腳PC0作為輸入，與經(jīng)光耦隔離的HLW8012芯片CF引腳連接。PC0引腳設(shè)置為外部中斷模式，可提高CF引腳脈沖信號(hào)下降沿的測量精度。

SIM800C模塊的硬件電路如圖3所示。模塊供電電壓為3.7 V，1腳UART1_TXD為串口發(fā)送端，數(shù)據(jù)從SIM800C發(fā)出;2腳UART1_RXD為串口接收端，用于模塊從串口接收主控芯片的AT命令。GD32VF103主控芯片有6個(gè)串行異步收發(fā)口，本電路選用其中1個(gè)與SIM800C連接，串口配置為115 200 bit/s波特率、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位，由于SIM800C和主控芯片都是3.3 V電平，所以無需加入電平轉(zhuǎn)換電路，只在兩者之間串接1 kΩ電阻即可保證信號(hào)符合串口傳輸要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即控制功率計(jì)量芯片HLW8012的軟件設(shè)計(jì)與控制SIM800C模塊的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制HLW8012的程序設(shè)計(jì)

因?yàn)镠LW8012的CF引腳輸出占空比為1∶1的高頻方波信號(hào)，且方波的周期與測量的有功功率大小成反比，所以主控芯片將通過與CF連接的GPIO口作為輸入，精確測量方波的周期后再經(jīng)過公式計(jì)算獲取有功功率。周期的測量原理利用了GPIO口的下降沿外部中斷觸發(fā)，同時(shí)利用定時(shí)器測量兩次下降沿外部中斷的時(shí)間間隔，得到脈沖周期。有功功率數(shù)值的公式計(jì)算利用測得的周期時(shí)間在主循環(huán)程序中進(jìn)行?？刂艸LW8012程序流程如圖4所示。

3.2 控制SIM800C的程序設(shè)計(jì)

主控芯片GD32VF103上電后，首先對芯片的USART口進(jìn)行初始化，設(shè)置串口波特率等硬件參數(shù)，并配置內(nèi)核中斷控制器（ECLIC），編寫相應(yīng)串口中斷服務(wù)子程序，用于接收SIM800C串口發(fā)來的數(shù)據(jù)。

主控芯片通過串口輸出AT指令控制SIM800C模塊，AT指令的語法格式是以“AT”前綴開頭，指令結(jié)尾必須包含“＼r＼n”，十六進(jìn)制數(shù)為0x0D，0x0A。SIM800C上電復(fù)位后，主控芯片首先發(fā)送一系列AT命令查詢模塊相關(guān)狀態(tài)，具體命令如下：

（1）AT：測試模塊響應(yīng)，期待返回“OK”;

（2）AT+CGMM：查詢模塊型號(hào)，返回“SIMCOM_SIM800”;

（3）AT+CPIN：查詢SIM卡狀態(tài)，若返回“+CPIN：READY”，表示SIM卡狀態(tài)正常;

（4）AT+CSQ：查詢信號(hào)質(zhì)量，返回SIM800C模塊的無線信號(hào)強(qiáng)度，如“+CSQ：24，0”。

遠(yuǎn)程監(jiān)測終端通過TCP/IP協(xié)議與后端服務(wù)器連接，終端作為TCP客戶端，向服務(wù)器發(fā)送TCP連接請求，采用AT命令：AT+CIPSTART=“TCP”，“39.97.169.199”，“8086”。其中“39.97.169.199”是遠(yuǎn)端服務(wù)器的IP地址，“8086”為TCP端口號(hào)，模塊接收到該命令后，將與服務(wù)器建立一個(gè)TCP連接，若連接成功將返回“CONNECT OK”。

其后，根據(jù)與服務(wù)器事先確定的業(yè)務(wù)流程，終端發(fā)送本設(shè)備的序列號(hào)，登錄并更新服務(wù)器終端設(shè)備列表，服務(wù)器在確定終端上線并保持與終端連接時(shí)，可將前端用戶的操作命令下傳給終端，終端同時(shí)將監(jiān)測到的有功功率值等數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于RISC-V架構(gòu)GD32VF103微控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端系統(tǒng)，系統(tǒng)將GD32VF103作為主控芯片，HLW8012為數(shù)據(jù)采集模塊，SIM800C為GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與遠(yuǎn)程傳輸。由于RISC-V架構(gòu)處理器具備均衡的處理效能和系統(tǒng)資源，使本系統(tǒng)的解決方案具有一定的通用性，因此在此方案基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展或修改，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)許多其他嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

注：本文通訊作者為羊日飛。

參考文獻(xiàn)

[1]雷思磊.RISC-V架構(gòu)的開源處理器及SoC研究綜述[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（2）：56-76.

[2]胡振波.RISC-V架構(gòu)與嵌入式開發(fā)快速入門[M].北京：人民郵電出版社，2019.

[3]深圳合力為科技.RV-STAR開發(fā)板用戶指南V1.0[EB/OL][2020-01-13]. www.rvmcu.com.

[4] 佚名.SIM800C硬件設(shè)計(jì)手冊V1.01[EB/OL].[2016-03-02].https：//wenku.baidu.com/view/8b41ae843b3567ec102d8ae6.html#.

[5] GD32VF103 RISC-V 32-bit MCU用戶手冊[Z].1.0版本. GigaDevice，2019.

[6]韓進(jìn)，馬雙.基于SIM800C的GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（11）：39-42.

[7]于鐳，崔憲偉.一種基于GPRS與485總線的無線采集器的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（6）：30-32.

[8]蔡紅娟，翟晟，蔡苗，等.基于STM32的GSM智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（8）：37-40.

[9]伊新.基于GPRS的電梯在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（3）：40-44.

[10]李其高.面向IoT終端設(shè)備的RISC-V微控制器設(shè)計(jì)與分析[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（3）：64-66.