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

        2020-11-06 02:47:46黃平袁佳朱靜羊日飛
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

        黃平 袁佳 朱靜 羊日飛

        摘 要:遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能充電樁的實(shí)時(shí)有功功率監(jiān)測(cè),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(cè)量有功功率,以SIM800C模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)線連接方式的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端。系統(tǒng)采用的主控芯片是一款基于開(kāi)源免費(fèi)RISC-V架構(gòu)的國(guó)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(cè)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(cè);HLW8012

        中圖分類(lèi)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(wú)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(cè)系統(tǒng)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,如當(dāng)前熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)智能充電樁,其包含對(duì)充電電壓、電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),是一種典型的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端。在此背景下,本文介紹了一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(guò)GPRS無(wú)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(cè)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(hù)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(cè)系統(tǒng)終端以RISC-V處理器為主控芯片,通過(guò)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(kāi)源指令集架構(gòu)[1]。RISC-V架構(gòu)具有如下特點(diǎn):

        (1)具有簡(jiǎn)潔精練的指令集,其基本的RISC-V指令數(shù)目?jī)H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(guò)模塊化擴(kuò)展指令數(shù)量并適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)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?xún)r(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(yǔ)言、SMS、傳真和數(shù)據(jù)信息的低功耗傳輸。

        主控芯片通過(guò)AT命令集對(duì)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(lái)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(cè)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(chǎng)合[3]。HLW8012通過(guò)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(guò)測(cè)量CF引腳脈沖信號(hào)的周期得到測(cè)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(wú)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(cè)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(wú)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(wú)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(cè)量的有功功率大小成反比,所以主控芯片將通過(guò)與CF連接的GPIO口作為輸入,精確測(cè)量方波的周期后再經(jīng)過(guò)公式計(jì)算獲取有功功率。周期的測(cè)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(cè)量?jī)纱蜗陆笛赝獠恐袛嗟臅r(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(cè)得的周期時(shí)間在主循環(huán)程序中進(jìn)行。控制HLW8012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(duì)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(xiě)相應(yīng)串口中斷服務(wù)子程序,用于接收SIM800C串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

        主控芯片通過(guò)串口輸出AT指令控制SIM800C模塊,AT指令的語(yǔ)法格式是以“AT”前綴開(kāi)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(xún)模塊相關(guān)狀態(tài),具體命令如下:

        (1)AT:測(cè)試模塊響應(yīng),期待返回“OK”;

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

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

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

        遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端通過(guò)TCP/IP協(xié)議與后端服務(wù)器連接,終端作為T(mén)CP客戶(hù)端,向服務(wù)器發(fā)送TCP連接請(qǐng)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T(mén)CP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(hù)的操作命令下傳給終端,終端同時(shí)將監(jiān)測(cè)到的有功功率值等數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        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(cè)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)

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

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

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        [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.

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