基于ARM的井口RTU測控系統設計

胥 昕，翁惠輝 （長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

近年來，隨著以計算機技術、通信技術為主的信息技術的快速發展和Internet的廣泛應用，嵌入式系統得到了越來越廣泛的應用。隨著采油工藝技術的發展，對井口RTU （遠程測控終端）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具有較完善的功能，但其只適用于室內環境，難以適應采油井所在的野外環境。為此，筆者基于ARM芯片設計了井口RTU測控系統。

1 系統總體架構設計

基于ARM的井口RTU測控系統整體框架采用模塊化結構設計，以 AT91SAM10－G45為主處理器，通過以太網接口以及RS－485串口完成與上位機的通信［1］。其中，AT91SAM9M10－G45、2片SDRAM芯片、FLASH儲存器、電源系統以及時鐘系統組成ARM芯片的嵌入式基本體系結構。根據井口RTU現場信號測控要求，對溫度、壓力、懸點載荷、抽油桿位移、井口流量、上下沖程脈沖信號等工藝參數設計相應的I／O模塊輸入，以實現對現場信號的采集、調理、校對、放大以及控制等功能 （見圖1）。

圖1 系統總體架構圖

2 系統硬件設計

2.1 CPU模塊

CPU處理器主要完成數據處理、運算與外設通訊等功能［2］。AT91SAM9M10－G45芯片內部資源以及外圍擴展接口都非常豐富，利用該芯片可以擴展外部存儲器、靜態存儲器、EEPROM、DDR2 SDRAM、電源控制單元、串行外設接口 （SPI）、I／O控制器 （模塊）、定時器、以太網接口、USB接口和UART接口等 （見圖2）。

1）CPU電源模塊 由于AT91SAM9M10－G45芯片內核工作電壓在0.9～1.1V之間，內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計中，直接將電源模塊提供的5V電壓經過DC－DC模塊壓降成芯片內部所需電壓。其中，靜態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電源監控芯片對靜態RAM工作電源進行檢測，以保證靜態RAM工作電源不會掉電。

2）CPU存儲電路 基于AT91SAM9M10－G45芯片的嵌入式系統共有2種存儲器接口電 路， 即 SDRAM （Static RAM）接口電路和靜態RAM接口電路。SDRAM接口電路根據ARM的CPU計時時間同步設計，這樣ARM的內存控制器能夠準確掌握所要求的數據以及所需要的準確時鐘周期，CPU不需要延時到下一次的數據存儲。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。

圖2 CPU模塊結構圖

2.2 I／O模塊

I／O模塊結構圖如圖3所示。采用美國微芯公司的dSPIC30F4013作為I／O模塊處理器，I／O模塊提供驅動現場設備的＋24V電源接口、控制信號接線端子、I／O模塊工作狀態燈等。采用智能板卡的形式設計I／O模塊，將其插到板卡插槽后能主動上報板卡號、板卡類型、板卡冗余以及自動分配板卡地址等信息。此外，針對I／O模塊的通道設計了全隔離電路。

圖3 I／O模塊結構圖

2.3 以太網接口

AT91SAM9M10－G45芯片內部EMAC模塊中集成了一個和IEEE802.3標準相兼容的以太網EMAC。該模塊內部集成了統計和控制寄存器、接收和發送堆棧及DMA接口，采用地址監控方式進行工作。地址監測器可以識別4個特殊的48位地址和包含64位的散列寄存器多播和單播匹配地址，可以識別所有地址為1的廣播地址并復制所有的幀，還可以報告外部地址的匹配信號。以太網接口驅動器件選用DAVICOM公司的DM9161AEP芯片，該芯片支持RMII接口，具有10～100Mbit／s自適應功能，支持全雙工或半雙工功能，能完全滿足工業以太網的功能要求。

3 系統軟件設計

基于ARM的井口RTU測控系統運行過程中處理的任務十分復雜，包括以太網通信、擴展總線通信。信號采集與處理、自檢等。為此，選用以UNIX為基礎發展而來的Linux操作系統［3］，其對硬件要求低，可以支持多處理器芯片，并且源代碼是公開的，這樣便于升級和修補內核，因而可以實現各任務之間的通信以及與系統下位機的通信。基于ARM的井口RTU任務流程圖如圖4所示。井口RTU的各任務間通過信號量和消息隊列來實現通信，即使用計數器信號量解決多個任務讀寫互斥的問題，利用消息隊列來解決任務間的數據交換。串口通信通過串口驅動實現，以太網通過套接字實現，從而實現對任何一個文件的操作。

基于ARM的井口RTU測控系統下位機底層程序設計思路是在主程序中調用各個子模塊程序，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、開關量輸入程序、開關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任務流程圖

圖5 系統下位機底層程序圖

4 結 語

根據數字化油田中采油工藝技術的實際要求，設計了由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、性能穩定、可靠性強等特點。通過模塊化的設計來實現系統整體架構，并根據各個模塊的作用實現整個井口RTU系統的數據采集、傳輸以及處理的功能，使得該系統更利于維護和升級。此外，ARM芯片處理器所使用的嵌入式Linux操作系統平臺十分便于程序的編寫和調試。

［1］宋萬里 .基于嵌入式平臺的雙目主動測距系統 ［D］.杭州：浙江大學，2012.

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

［3］封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統完全入門與主流實踐 ［M］.北京：電子工業出版社，2008：78－79.

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