一种应用于数字化油田的小型RTU的设计.pdf

2 01 3年 l 1月 第 2 8卷第6期 西安石油大学学报 ( 自然科学 版) J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s it y ( N a t u r a l S ci e n ce E d i t i o n ) N O V 2 0 1 3 Vo 1 28 No 6 文章编号 ： 1 6 7 3 -06 4 X( 2 0 1 3 ) 0 6 - 0 0 9 9 - 0 4 一 种应 用于数 字化油 田的小型 R T U的设计 屈 展， 董 鑫， 曹庆年， 孟开元， 崔占琴， 张 珂 ( 西安石油大学 计算机学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 根据数字化油田现场 R T u设备的现状 ， 给 出一种基 于 A R M C o r t e x - M3芯片设计 出小型 R T U 的方案 ， 主要 包括 ： R T U系统结构、 模块化的硬件 电路设计 ， 以及 I x C O S I I 操作 系统之上的软件设 计 该 R T U具有采集、 处理 、 控制、 通信功能和实时性较好 、 可靠性较高、 功耗较低 的特点， 能够满足 油井现场应用的要 求 关键词 ： 远程终端控制设备 ； 数据采集； A R M C o r t e x M 3 ； I x C O S I I ； 嵌入式系统 中图分类号 ： T P 2 7 4 2 ； T E 3 1 9 2 文献标识码 ： A 许多油 田现场单井分散且距离较远 ， 传统 的作 业方式费时费力且效率低下 ， 数字化油 田的应用极 大地改善 了这一 现状 其 中以远程 终端 控制设 备 ( R T U， R e mo t e T e r mi n a l U n it ) 为核心 的数据采集与 监视控制系统( S C A D A， S u p e r v is o r y C o n t r o l a n d D a t a A cq u is i t io n ) 的应用 ， 可实现远距离对井 口的监测 与 控制 ， 提高井 区的 自动化水平 目前 ， 油田 R T U设计 以嵌入式设计为主 ， 多用 A R M 内核的低功耗 3 2位 处理器 A R M 7、 A R M9 R T U在油 田现场得到 了很广 泛的应用 对 于基 于 A R M C O R T E X系列处理器 的 R T U研究与应用还 比较少 A R M C o r t e x M3是一 款基于 A R M v 7 一 M架构的第二代 A R M处理器 ， 相 比 于 AR M7 、 A R M9( 基 于 A R M v 4 T与 AR M v 5 E架 构) ， C o rt e x M 3处理器功耗更低 ， 成本更加低廉 其 快速中断处理能力 ， 低 中断延迟以及强化 的故障处 理能力可以很好地满足油 田现场 R T U实时性的要 求 J 另外 ， I x C O S I I 操作系统由于其可移植性好 、 稳定可靠 、 实时性高等特点广泛应用 于嵌入式系统 平 台之中 本文基于 A R M C o rt e x M3设计一种应用 于数字化油田的小型 R T U 1 硬件设计 1 1主控制芯片的选择 目前支持 C o rt e x M3内核的芯片主要有恩智浦 ( N X P ) 的 L P C 1 0 0 0系列、 L u m in a r y Mi cr o的 S t e l l a r is 系列 、 意法半导体公司的 S T M 3 2系列、 A T ME L公 司 的 A T 9 1 S A M3系列 等 ， 其 中 S T M 3 2是 最早 的一批 C o rt e x M 3的芯片， 使用比较广泛， 所有外设处于工 作状态时消耗电流仅为 3 6 m A， 是 3 2位市场上功耗 很低 的产品 基于此 ， 选择 S T M3 2系列 中的一款芯 片 S T M 3 2 F 1 0 3 V E， 其最高频率 7 2 MH z ， F L A S H 5 1 2 k B， S R A M 6 4 k B， 具有 1 2通道 D MA控制器 ， 3个 1 2 位的 U S 级 A D转换器， 最多高达 1 1 2个 的快速 I O 端 口，1 1个定 时器 ， 2个 I 2 C接 口， 5个 U S A R T接 口， 3个 S P I 接 口， 1 个 C A N 2 0接 口， 1个 U S B 2 0 接 口， 1 个 S D I O接 口等 资源及其丰富 此外其待机 电流只有 2 A， 非常适合低功耗要求的使用 1 2 核心单元的设计 R T U硬件 电路采用核心单元 +外设 的设计模 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 - 2 0 基金项目：西安市科技计划项目“ 无线短程网在油田应用的关键技术与理论研究” ( 编号： C X Y 1 1 2 1 ) 作者简介：屈展( 1 9 5 7 ) ， 男 ， 教授， 博士 ， 主要从事管理信息系统与计算机网络、 石油与天然气工程方面的研究 E ma il ： z h q u x s y u e d u cn - - 1 0 0 - 西安石油 大学学报 ( 自然科 学版) 式 ， S T M 3 2 F 1 0 3 V E芯片内部集成了 5 1 2 k B的 F L A S H 存储器和6 4 k B的 S R A M， 考虑到 R T U应用的实际需 求以及以后 产品升级 的需 要 ， 对 F L A S H存 储器与 S R A M进行必要的外部扩展 ， 其中 F LA S H存储器选 择 A T ME L公司的 A T 4 5 D 0 4 1 ， 其存储容量 为 4 MB， S R A M选择 I S S I公司的 I S 6 1 L V 2 5 6 1 6芯片， 其存储 容量为 1 6 2 5 6 k B S T M 3 2 F 1 0 3 V E芯片内部集成 了 F S MC( 可变静态存储控制器 ) 可以很方便地进行存 储器的扩展 核心单元的结构如图 1 所示 1 几A G调试模块 I 1 。 图 1核 心 单 兀 结 构 Fig 1 The a r ch it e ct u r e o f co r e un it 1 3 R T U总体结构设计 R T U总体结构设计采用模块化的结构设计 其 中核心单元模块 为整个 R T U的核心， 其他模 块为 R T U的外 围模 块 ， 包 括 以 太 网模 块 、 C A N 模 块 、 R S 2 3 2模块 、 R S 4 8 5模块 、 开关量输入输 出模块、 模 拟量输入模块 各模块独立设计并考虑到模块 间彼 此干扰采取必要的隔离保护措施 此外模块的供 电 电源设计采用基准电源供电 R T U的总体结构如 图 2所示 以太网模块 二 一 开关量输入模块 cA N 模块 二 开关量输 出模块 R TU核心单几 R S 2 3 2 模块 I 模拟量输入模块 R s 4 8 5 模 块 图 2 R T U总体 结构 Fig 2 The g e ne r a l s t r u ctu r e o f RTU 1 4 C A N模块 S T M 3 2 F 1 0 3 V E芯片内置 C A N接 口( 2 0 B) ， 芯 片外 接线 时 只需 2个 G P I O端 口即可 ， 为 了提 高 C A N模块 的带载能力需添加 C A N驱 动芯片 本设 计 中选择 T J A1 0 5 0 C A N驱动芯片， 其为总线提供差 动发送性能 ， 为 C A N控制器提供差动接收性能 ， 可 以连接至少 1 1 0个节点 为增强模块的抗干扰性能 ， 在 S T M3 2 F 1 0 3 V E与 T J A 1 0 5 0 C A N驱动芯片之间加 6 N 1 3 7高速光耦 ， 此光耦不会影响 C A N总线的传输 速度 1 5 RS 2 3 2和 R s 4 8 5模块 1 5 1 R S 4 8 5模块R S 4 8 5模块 由 R S 4 8 5收发器 芯片 S P 4 8 5 R与保护 电路 部分组成 单片机通 过 3 个 I 0接线控制 S P 4 8 5 R以 R S 4 8 5标准收发数据 保护电路部分连接于 S P 4 8 5 R后面， 即在 R S 4 8 5 A线 与 R S 4 8 5 B线上以及两线之 间各钳一 T V S管 ， 防止 由于雷击或浪涌等外界干扰产生 的高压损坏 R s一 4 8 5收发器 此外 ， 在 A、 B线上分别 串联 电感 ( 2 0 0 I z H) ， 并联 电容 ( 0 1 F) 以提 高整个模 块 的 E MI 性能 1 5 2 R S 2 3 2模块 由于 R S 2 3 2标准采用 的是负 逻辑 电平 ， 一1 5一3 V表示逻辑 1 ；+1 5+3 V 表示逻辑 0 ， 与控制芯片的 1 1 1 L电平不一致 ， 所以在 控制芯片与 R S 2 3 2之 间需加 MA X 2 3 2电平转换 芯 片 为保证信号的稳定性与提高模块的抗干扰能力 ， 在信号进入 MA X 2 3 2之前 先选择 A D U M1 4 0 2磁耦 隔离器对信号进行隔离 1 6以太 网模 块 S T M3 2 F 1 0 3 V E芯片 内部没有集成以太 网控制 器 ， 以太 网模块的设计采用扩展 以太网芯片 W5 1 0 0 来实现 以太网的功能 W5 1 0 0内部集成 了全硬件 的 的 T C P I P协议栈 、 以太 网介质传输层 ( M A C) 和物 理层( P H Y) 硬件 T C P I P协议栈支持的 T C P 、 U D P、 I P v 4、 I C M P 、 A R P 、 I G MP和 P P P o E W5 1 0 0与 MC U连 接有 3种方式 ， 即直接总线接 口、 间接总线接 口、 S P I 总线接 口 由于以太网模块传输的数据量较大 ， 采用 直接总线接 口 其接线的原理 图如图 3所示 A0 A0 A1 4 A1 4 D0 A DO STM 3 2 D7 一 D7 W 5t O O CS ， CS RD RD W R R I NT I NT 图 3 MC U与 W5 1 0 0连接原理图 Fig 3 S che m a ti c d ia g r a m f o r t h e co n ne c ti o n b e t we e n M CU a n d W 5 1 00 1 7 开关量输入、 输出模块 开关量输入模块设计 4路开关量输入 ， 输入为 屈展等： 一种应用于数字化油田的小型 R T U的设计 一1 0 1 2 4 V D C电平信号 ， 输入电路 中在输入 端正极 串联 一 个快速保险丝 F对 电路起 到安全保护的作用 ， 通 过选取合适的 R 2和 R 4的值 ， 可在光耦输入端得到 合理的输入值 所选取 的光耦绝缘 电压达到 2 5 0 0 V， 完全实现 了输入端与输 出端 的电气 隔离 此外 ， 电路中加入整流二极 管与滤波 电容 ， 提高 了电路 的 性能 模块的单路设计 电路简图如图 4所示 开关量输出模块也设计 4路开关量输出， 输 出 为 2 4 V D C继 电器输出 ， 电路设计中依然采取和输 入电路同样的光耦隔离设计 ， 通过光耦 的通断控制 晶体管 V T的通断 ， 进 而控制继 电器 的通断达到输 出效果 模块的单路设计 电路简图如图5所示 开关量输入 输 出模块采用统 一的基 准 电源供 电， 并加必要的隔离保护措施 。 GND GND 图 4 开关量单路输入 电路简 图 Fig 4 S in g l e ch a n ne l s wit ch s ig n a l in p u t cir cu it 图 5 开关量单路输 出电路简 图 Fig 5 S ing l e ch an n e l s wit ch s ig n a l o u t pu t cir cu it 1 8 模拟量输入模块 模拟量输入模块输入 的模拟量为 4 2 0 m A或 1 5 V的直流电流或电压 ， 采用 6路模拟量输入设 计 ， 模块的核心部分即 A D转换部分选用 T I 公司的 1 6位 A D芯片 A D S 8 3 6 4， 该 芯片可进行 6路模拟信 号的并行处理并且 自带 2 5 V基准电压接 口以方便 采用基准供电 模块 的其他 部分包括调理 电路与隔 离耦合部分 调理电路主要负责对信号进行去耦 、 滤 波 、 保 护 等 隔离 耦 合部 分 采 用前 面 用 到 的 A D U M1 4 0 2隔离耦合器对通道进行隔离 ， 减少了干扰 模块的设计原理 图如图 6所示 A l 曰 二 圈 图 6 模拟量输入原理 图 Fig 6 Ana l o g inp u t s ch e ma t ic d ia g r a m 2 软件设计 2 1 I I C oS I I 操作系统的移植 t x C OS I I 操作系统文件主要包 括应用程序代 码、 独立于 C P U的系统文件 、 p C O S I I 系统配置文 件、 系统库 函数 、 板间支持包 B S P 、 I C O S I I 与 C o r t e x - M3的端 口代码 移植过程中主要修改端 口代码 部分的文件 ， 包括 O S C P U H、 O S C P U C C、 O S CPU A A S M， 将 这些 文件 修改完 之后 ， 即可 实现 t L COS I I 操作系统的移植 j 2 2程序设计 移植了 p L C O S I I 操作系统以后 ， R T U的程序 设计即是在 L C O S I I 操作系统之上设计 的应用程 序 ， 本设计 中 R T U主要实现采样 、 计算 、 控制、 通信 - - - 1 0 2 - 西安石油大学学报( 自然科学版) 的功能 将每个模块写成不 同的任 务， 赋予其不 同的优先级 ， 初始任务优先级最高 ， 主要包括模拟量 输入任务 、 开关量输入输 出任务的创建 以及数据信 息记录任务的创建等 ， 其他任务优先级次之 ， 主要包 括通信任务如 C A N任务 、 以太 网任务等 根据优先 级的不 同调度执行任务 ， 当有上位机通信请求时 ， 实 时的响应中断请求并调用通信任务进行处理 程序 设计的流程图如图 7所示 图 7 主程序流程图 Fig 7 M a in pr o g r a m flo wcha r t 3 结 语 本文给出了一种基于 A R M C o d e x M3内核芯片 S T M3 2 F 1 0 3 V E设计小型 R T U的方法 ， 并对 R T U整 个结构体系及各个模块的硬件部分作了说 明， 给出 了软件设计 的主程序 流程 图 相 比以往 的 R T U设 计 ， 本设计具有功耗较小 、 成本低廉等特点 除了可 用于数字化油田现场之外还可以广泛应用 于农业 、 水利 、 电力等行业 S C A D A系统之中 参 考 文 献 ： 1 李驹光 基于嵌入式技术的数字油田 R T U J 工业 控制计算机， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 5 8 L I J u - g u a n g D ig i t a l o i l fi e l d R T U b a s e d o n e mb e d d e d t e ch n o l o g y J I n d u s t r ia l C o n t r o l C o m p u t e r ， 2 0 1 2( 3 ) ： 5 8 2 J o s e p h Y i u A R M C o r t e x M3权威指南 M 北京 ： 北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 9 3 张剑峰， 张进 基于 A R M 7的 R T U微控制器的设计 J 微计算机信息， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 1 2 1 1 2 3 Z HAN G J i a n f e n g ， Z HA NG J i n De s ig n o f t h e R T U mi cr o co n t r o l l e r b a s e d o n ARM7 J Micr o co mp t e r I n f o r ma t i o n， 2 0 0 9， 2 5( 1 0) ： 1 2 1 1 2 3 4 陈梓馥 ， 孙万蓉， 董明明， 等 基于 A R M 9的 R T U设计 J 物联网技术， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 5 4 5 8 CHEN Zi f u，S UN W a n r o n g，DO