基于ARM的井口RTU測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胥 昕，翁惠輝 （長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

近年來，隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為主的信息技術(shù)的快速發(fā)展和Internet的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著采油工藝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)井口RTU （遠(yuǎn)程測控終端）提出了處理速度快、兼容性好和可靠性高等要求，盡管以可編程邏輯控制器 （PLC）為處理器的測控系統(tǒng)具有較完善的功能，但其只適用于室內(nèi)環(huán)境，難以適應(yīng)采油井所在的野外環(huán)境。為此，筆者基于ARM芯片設(shè)計(jì)了井口RTU測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ARM的井口RTU測控系統(tǒng)整體框架采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以 AT91SAM10－G45為主處理器，通過以太網(wǎng)接口以及RS－485串口完成與上位機(jī)的通信［1］。其中，AT91SAM9M10－G45、2片SDRAM芯片、FLASH儲(chǔ)存器、電源系統(tǒng)以及時(shí)鐘系統(tǒng)組成ARM芯片的嵌入式基本體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)井口RTU現(xiàn)場信號(hào)測控要求，對(duì)溫度、壓力、懸點(diǎn)載荷、抽油桿位移、井口流量、上下沖程脈沖信號(hào)等工藝參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的I／O模塊輸入，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場信號(hào)的采集、調(diào)理、校對(duì)、放大以及控制等功能 （見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU模塊

CPU處理器主要完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算與外設(shè)通訊等功能［2］。AT91SAM9M10－G45芯片內(nèi)部資源以及外圍擴(kuò)展接口都非常豐富，利用該芯片可以擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、EEPROM、DDR2 SDRAM、電源控制單元、串行外設(shè)接口 （SPI）、I／O控制器 （模塊）、定時(shí)器、以太網(wǎng)接口、USB接口和UART接口等 （見圖2）。

1）CPU電源模塊 由于AT91SAM9M10－G45芯片內(nèi)核工作電壓在0.9～1.1V之間，內(nèi)存接口的供電電壓在1.65～1.95V之間，I／O口電壓在1.65～3.6V之間，模擬DC電壓在3.0～3.6V之間，因而在電源電路的設(shè)計(jì)中，直接將電源模塊提供的5V電壓經(jīng)過DC－DC模塊壓降成芯片內(nèi)部所需電壓。其中，靜態(tài)RAM工作所需的電壓由3.3V電源和后備電源共同供電，此外選用ADM691電源監(jiān)控芯片對(duì)靜態(tài)RAM工作電源進(jìn)行檢測，以保證靜態(tài)RAM工作電源不會(huì)掉電。

2）CPU存儲(chǔ)電路 基于AT91SAM9M10－G45芯片的嵌入式系統(tǒng)共有2種存儲(chǔ)器接口電 路， 即 SDRAM （Static RAM）接口電路和靜態(tài)RAM接口電路。SDRAM接口電路根據(jù)ARM的CPU計(jì)時(shí)時(shí)間同步設(shè)計(jì)，這樣ARM的內(nèi)存控制器能夠準(zhǔn)確掌握所要求的數(shù)據(jù)以及所需要的準(zhǔn)確時(shí)鐘周期，CPU不需要延時(shí)到下一次的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此，不僅要正確選用SDRAM芯片，還要正確配置ARM處理器中DRAM控制寄存器的控制參數(shù)。

圖2 CPU模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 I／O模塊

I／O模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用美國微芯公司的dSPIC30F4013作為I／O模塊處理器，I／O模塊提供驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備的＋24V電源接口、控制信號(hào)接線端子、I／O模塊工作狀態(tài)燈等。采用智能板卡的形式設(shè)計(jì)I／O模塊，將其插到板卡插槽后能主動(dòng)上報(bào)板卡號(hào)、板卡類型、板卡冗余以及自動(dòng)分配板卡地址等信息。此外，針對(duì)I／O模塊的通道設(shè)計(jì)了全隔離電路。

圖3 I／O模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 以太網(wǎng)接口

AT91SAM9M10－G45芯片內(nèi)部EMAC模塊中集成了一個(gè)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)相兼容的以太網(wǎng)EMAC。該模塊內(nèi)部集成了統(tǒng)計(jì)和控制寄存器、接收和發(fā)送堆棧及DMA接口，采用地址監(jiān)控方式進(jìn)行工作。地址監(jiān)測器可以識(shí)別4個(gè)特殊的48位地址和包含64位的散列寄存器多播和單播匹配地址，可以識(shí)別所有地址為1的廣播地址并復(fù)制所有的幀，還可以報(bào)告外部地址的匹配信號(hào)。以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)器件選用DAVICOM公司的DM9161AEP芯片，該芯片支持RMII接口，具有10～100Mbit／s自適應(yīng)功能，支持全雙工或半雙工功能，能完全滿足工業(yè)以太網(wǎng)的功能要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的井口RTU測控系統(tǒng)運(yùn)行過程中處理的任務(wù)十分復(fù)雜，包括以太網(wǎng)通信、擴(kuò)展總線通信。信號(hào)采集與處理、自檢等。為此，選用以UNIX為基礎(chǔ)發(fā)展而來的Linux操作系統(tǒng)［3］，其對(duì)硬件要求低，可以支持多處理器芯片，并且源代碼是公開的，這樣便于升級(jí)和修補(bǔ)內(nèi)核，因而可以實(shí)現(xiàn)各任務(wù)之間的通信以及與系統(tǒng)下位機(jī)的通信?；贏RM的井口RTU任務(wù)流程圖如圖4所示。井口RTU的各任務(wù)間通過信號(hào)量和消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)通信，即使用計(jì)數(shù)器信號(hào)量解決多個(gè)任務(wù)讀寫互斥的問題，利用消息隊(duì)列來解決任務(wù)間的數(shù)據(jù)交換。串口通信通過串口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)通過套接字實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一個(gè)文件的操作。

基于ARM的井口RTU測控系統(tǒng)下位機(jī)底層程序設(shè)計(jì)思路是在主程序中調(diào)用各個(gè)子模塊程序，從而減少模塊間的相互耦合性［4］。子模塊程序主要包括初始化程序、模擬量輸入程序、開關(guān)量輸入程序、開關(guān)量輸出程序和高速脈沖程序等 （見圖5）。

圖4 基于ARM的井口RTU任務(wù)流程圖

圖5 系統(tǒng)下位機(jī)底層程序圖

4 結(jié) 語

根據(jù)數(shù)字化油田中采油工藝技術(shù)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了由ATMEL公司AT91SAM9M10－G45型微控制器為處理器的新型PLC，其具有效率高、成本低、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過模塊化的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體架構(gòu)，并根據(jù)各個(gè)模塊的作用實(shí)現(xiàn)整個(gè)井口RTU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理的功能，使得該系統(tǒng)更利于維護(hù)和升級(jí)。此外，ARM芯片處理器所使用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)十分便于程序的編寫和調(diào)試。

［1］宋萬里 .基于嵌入式平臺(tái)的雙目主動(dòng)測距系統(tǒng) ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［2］肖紅翼，翁惠輝，毛玉蓉 .采油場井口RTU測控系統(tǒng) ［J］.石油儀器，2007，21（6）：67－69.

［3］封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統(tǒng)完全入門與主流實(shí)踐 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：78－79.

［4］孫延嶺，趙雪飛，張紅芳，等 .基于ARM嵌入式系統(tǒng)的微型智能可編程控制器 ［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（10）：101－103.