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1、(10)申请公布号 CN 103645796 A (43)申请公布日 2014.03.19 CN 103645796 A (21)申请号 201310688976.8 (22)申请日 2013.12.13 G06F 1/32(2006.01) G06F 13/38(2006.01) (71)申请人 南京金水尚阳软件技术有限公司 地址 210014 江苏省南京市玄武区钟灵街 50 号紫金生态园汇通达大厦 104 室 (72)发明人 孙荣久 李祥勇 姚文才 宫云涛 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 朱显国 (54) 发明名称 基于 ARM 架构的高性能水文水资源遥测终。
2、端 机及其功耗控制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于 ARM 架构的高性能水 文水资源遥测终端机及其功耗控制方法。采用多 个高性能嵌入式CPU组成RTU的主机系统， 其逻辑 结构由三个主要功能模块组成 ： 主控制模块、 数 据采集模块和电源控制模块 ； 各模块又划分成多 个功能子模块， 各功能子模块只完成单一的功能 任务 ； 在统一的时序控制下各个模块及其功能子 模块进行组合交替工作， 保证任何时候工作的模 块最少， 从而达到整机功耗最优。 本发明方案在保 证终端机整体高性能的同时大幅度的降低了整机 功耗。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 3 页 (1。
3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103645796 A CN 103645796 A 1/3 页 2 1. 一种基于 ARM 架构的水文水资源遥测终端机， 其特征在于 ： 由主控制模块、 电源控制 模块和数据采集模块分别通过总线互联而成 ； 主控制模块包括 CPU 子模块、 数据处理子模 块、 时序管理子模块、 收发控制子模块、 任务管理子模块和若干个硬件串行口 ； 电源控制模 块包括 CPU 子模块、 整机供电子模块、 内部接口电源子模块及其硬件供电开关、 通信供电子 模块及其硬件供电开关 ； 数据采集模。
4、块包括 CPU 子模块、 传感器供电子模块和数据采集子 模块 ； 电源控制模块通过整机供电子模块实现整机各模块中 CPU 子模块的供电、 整机各模块 中除 CPU 外的内部接口芯片的供电以及外部远程数据通信设备的供电 ； 数据采集模块由传感器供电子模块对外部传感器供电， 由数据采集子模块采集传感器 数据 ； 主控制模块通过其CPU子模块与数据采集模块的CPU子模块的数据交互取得采集到的 传感器数据， 传感器数据交由数据处理子模块进行数据滤波、 存储和打包处理， 处理完的打 包数据在时序管理子模块的控制下， 通过收发控制子模块和通信供电子模块的配合， 经由 硬件串行口传送给外部远程数据通信设备并。
5、发送至远程中心站 ； 设备上电后， 电源控制模块中的整机供电子模块产生设备工作所需的各类工作电源， 供电正常后各个模块执行自身必要的初始化和参数加载后进入无任务休眠状态 ； 外部的传 感器在内部定时或外部中断数据采集事件的驱动下， 由数据采集模块实现对外部传感器设 备的供电和传感器数据采集， 采集到的传感器数据交由主控制模块进行数据滤波、 存储和 打包处理， 处理完的打包数据在时序管理子模块的控制下， 通过对收发控制子模块和通信 供电子模块的配合， 经由外部远程数据通信设备将数据发送至远程中心站 ； 数据采集、 处 理、 发送完成后， 设备自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功耗。 2. 根据权利。
6、要求 1 所述的基于 ARM 架构的水文水资源遥测终端机， 其特征在于 ： 所述 主控制模块中， CPU子模块采用ARM Cortex M3， 用于实现主控制模块内各子模块任务的运行以及与数 据采集模块、 电源控制模块之间的数据交互和相关供电开关的控制 ； 数据处理子模块用于实现对数据采集模块采集到的传感器数据进行滤波、 存储和发送 前发送数据包的制作， 制作完成的发送数据包交由收发控制子模块通过外部远程数据通信 设备向远程中心站发送 ； 时序管理子模块一方面通过ARM Cortex M3 CPU子模块与数据采集模块进行数据和控 制动作的交互， 来实现外部传感器按需供电及传感器工作正常后通知执。
7、行采数 ； 另一方面 通过 ARM Cortex M3 CPU 子模块与电源控制模块进行数据和控制动作的交互， 实现通信供 电子模块按需给外部远程数据通信设备供电以及内部接口电源按需给整机除 CPU 以外器 件供电 ； 收发控制子模块一方面实现获取数据采集模块采集到的外部传感器数据， 并将该数据 转交给数据处理子模块进行后续处理 ； 另一方面将数据处理子模块制作完成的发送数据包 按照时序管理子模块的控制， 通过外部远程数据通信设备向远程中心站发送 ； 任务管理子 模块用于排列内部定时器触发的定时数据采集、 发送任务和外部传感器中断触发的中断数 据采集、 发送任务的执行顺序 ； 数据采集、 处理。
8、、 发送完成后， 主控制模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功耗。 权 利 要 求 书 CN 103645796 A 2 2/3 页 3 3. 根据权利要求 1 所述的基于 ARM 架构的水文水资源遥测终端机， 其特征在于 ： 所述 电源控制模块中， CPU 子模块采用 MSP430 ， 用于实现电源控制模块与主控制模块之间的数据交互和供 电开关的控制 ； 整机供电子模块负责产生设备工作所需的各类工作电源 ； 通信供电子模块负责产生外部远程数据通信设备的工作电源， 该工作电源经其供电开 关由主控制模块控制在执行打包数据远程上报发送期间给外部远程数据通信设备供电， 远 程数据上报完成后该电源停止。
9、供电以降低整体功耗 ； 内部接口电源经其供电开关由主控制模块控制在主控制模块工作期间为整机除 CPU 以外器件供电， 设备睡眠期间该电源停止供电以实现设备的低功耗 ； 数据采集、 处理、 发送完成后， 电源控制模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功 耗。 4.根据权利要求1所述的基于ARM架构的水文水资源遥测终端机， 其特征在于 ： 所述 数据采集模块中， CPU 子模块采用 MSP430， 用于实现数据采集模块与主控制模块之间的数据交互 ； 传感器供电子模块负责产生给外部传感器供电的电源， 该电源在数据采集模块采集外 部传感器数据期间给传感器供电， 传感器数据采集完成后该电源关闭以降低整体功。
10、耗 ； 数据采集子模块负责在外部传感器上电后采集外部传感器数据， 并将采集到的外部传 感器数据经由 MSP430 CPU 子模块传输给主控制模块进行后续的数据滤波、 存储和打包上 报 ； 数据采集、 处理、 发送完成后， 数据采集模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功 耗。 5. 一种基于权利要求 1 所述的水文水资源遥测终端机的功耗控制方法， 其特征在于 ： 包括定时数据采集发送和中断数据采集发送两种工况条件下整机分模块、 分时序功耗控制 的方法 ； 终端机上电启动并初始化后， 主控制模块、 电源控制模块和数据采集模块均处于休眠 状态， 使设备静态功耗最低， 外部的传感器在内部定时或外部中断。
11、数据采集事件的驱动下， 由数据采集模块实现外部传感器设备的供电和外部传感器数据采集， 采集到的外部传感器 数据交由主控制模块进行数据滤波、 存储和打包处理， 处理完成的打包数据通过时序管理 子模块的控制， 先由通信供电子模块给外部远程数据通信设备供电以准备好远程数据发送 信道， 然后通过收发控制子模块将打包好的数据交给远程数据通信设备， 远程数据通信设 备将数据上报发送至远程中心站， 数据上报确认成功后各模块均进入低功耗睡眠模式以降 低整机功耗。 6. 根据权利要求 5 所述的水文水资源遥测终端机的功耗控制方法， 其特征在于 ： 定时 数据采集发送工况条件下具体的分模块、 分时序功耗控制过程如。
12、下 ： 当内部定时器触发定 时数据采集发送后， 时序管理子模块通过主控制模块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 打开内部接口电源子模块的供电开关， 并同时唤醒数据采集模块 开始采集外部传感器数据 ； 数据采集模块通过控制其传感器供电子模块使外部传感器上电 工作后开始采集外部传感器数据， 外部传感器数据采集完成后， 数据采集模块将外部传感 权 利 要 求 书 CN 103645796 A 3 3/3 页 4 器电源关闭以降低功耗 ； 然后， 数据采集模块通过其CPU子模块与主控制模块的CPU子模块 的数据交互， 将采集到的传感器数据发送给数据处理子模块并使自身进入。
13、低功耗模式 ； 数 据处理子模块将传感器数据进行滤波、 存储、 打包后交给收发控制子模块准备发送， 同时， 时序管理子模块通过主控制模块的CPU子模块与电源控制模块的CPU子模块的控制动作交 互， 打开通信供电子模块对应的供电开关， 使外部远程数据通信设备上电工作 ； 外部远程数 据通信设备上电正常后， 收发控制子模块将打包后的上报数据通过主控制模块的硬件串行 口交给外部远程数据通信设备发送到远程中心站 ； 待收发控制子模块收到远程中心站下发 的数据上报成功确认后， 时序管理子模块控制关闭外部远程数据通信设备的电源和内部接 口电源， 设备进入低功耗休眠状态， 等待下一个定时数据采集发送时间的到。
14、来。 7. 根据权利要求 5 所述的水文水资源遥测终端机的功耗控制方法， 其特征在于 ： 中断 数据采集发送工况条件下具体的分模块、 分时序控制过程如下 ： 当外部传感器数据发生变化， 在数据采集子模块形成外部数据触发中断时， 数据采集 模块开始工作 ； 数据采集模块通过控制传感器供电子模块使外部传感器上电工作后开始采 集外部传感器数据， 外部传感器数据采集完成后数据采集模块关闭外部传感器电源 ； 同时， 数据采集模块通过其 CPU 子模块与主控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 唤醒主控制 模块工作， 时序管理子模块通过主控制模块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的 控。
15、制动作交互， 打开内部接口电源子模块的供电开关 ； 然后， 主控制模块通过其 CPU 子模块 与数据采集模块的 CPU 子模块的数据交互， 将数据采集模块采集到的外部传感器数据取到 数据处理子模块中进行滤波、 存储和打包 ； 数据采集模块将外部传感器数据交给主控制模 块后自身进入低功耗模式以降低整机功耗 ； 打包后的数据由数据处理子模块交给收发控制 子模块准备发送 ； 接着， 时序管理子模块通过主控制模块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 打开通信供电子模块对应的供电开关， 使外部远程数据通信设 备上电工作 ； 外部远程数据通信设备上电正常后， 收发控制子模块将。
16、打包后的上报数据通 过主控制模块的硬件串行口交给外部远程数据通信设备发送到远程中心站 ； 待主控模块收 到收发控制子模块到远程中心站下发的数据上报成功确认后， 、 时序管理子模块控制关闭 外部远程数据通信设备的电源和内部接口电源， 设备进入低功耗休眠状态， 等待下一个中 断数据采集发送触发的到来。 权 利 要 求 书 CN 103645796 A 4 1/7 页 5 基于 ARM 架构的高性能水文水资源遥测终端机及其功耗控 制方法 0001 技术领域 0002 本发明属于数据采集遥测终端能耗控制方法领域， 具体涉及一种基于 ARM 架构的 高性能水文水资源遥测终端机及其功耗控制方法， 特别适用。
17、于野外无市电工况下 RTU 长期 工作的能耗控制管理。 背景技术 0003 水文水源遥测终端机 （RTU） 需要在野外无市电环境下长期工作， 因此整机的低功 耗是关键指标， 国内外厂商均在此项指标上做了各种努力。目前降低功耗一般采取选取低 功耗器件或简化整机功能等办法。选取低功耗器件虽然能较大幅度的降低功耗指标， 但对 有些功能器件而言其， 降低功耗的幅度是有限的， 尤其是担负主处理任务的 CPU。假如不采 取控制措施， 让主机一直工作， 或半休眠工作， 其长期累计的耗电量也十分可观。其次简化 整机功能也可以降低功耗， 但这将牺牲整机功能和性能。本发明的着眼点是在保证整机的 高性能品质 （采用。
18、高性能处理器大幅度提高整机性能） 的同时采用分模块、 分时序的控制方 法大幅度降低整机功耗指标， 并使 RTU 的功能和性能指标大幅提升。 0004 自上个世纪末至当前， 大多数主流厂商对野外遥测设备的低功耗处理普遍采用的 方法是用低功耗单片机或单板机做主 CPU， 采用太阳能板和蓄电池联合供电， 完成的功能比 较单一。国外以美国 SUTRON、 HANDAR、 CSI 等公司为代表 ； 国内以南瑞、 水文自动化所等为 代表的主要公司， 目前大量采用的都是这一技术的产品。这一技术能够降低整机功耗的关 键点是采用了低功耗芯片并且主机使用低功耗单片机、 单板机。由于单片机和单板机不需 要使用复杂的。
19、商用操作系统， 操作和使用都比较简单， 另外其 RTU 功能比较单一从而使较 大幅度的降低功耗并不困难， 可以在许多功能要求单一的情况下使用。 0005 但是， 随着信息化的发展， 许多应用场合需要 RTU 的功能和性能越来越高， 例如有 的场合需要两种以上的信道之间自动切换， 有的要对参数进行远程配置， 有的需要适应多 种通信协议， 有的需要对采集的信息进行统计分析， 有的还需要采集和传输流媒体数据等 等。这些功能的增加， 大大增加了 RTU 功能的复杂度， 原有的用单片机、 单板机做主 CPU 的 方案就很难同时满足功能和功耗的要求， 而高性能嵌入式硬件和嵌入式操作系统的出现为 完成这种新。
20、需求提供了可能性。但嵌入式硬件和操作系统的引入所带来的功能增加， 如不 采取措施， 也会较大幅度的增加 RTU 的整机功耗。这也是目前嵌入式硬件和操作系统没有 在水文、 水资源 RTU 普遍采用的原因。 发明内容 0006 本发明的目的在于通过采用多个高性能低功耗的嵌入式硬件作为主机系统， 提升 遥测终端机的功能和性能， 在此基础上通过分模块、 分时序的控制方法控制不同部件的工 说 明 书 CN 103645796 A 5 2/7 页 6 作顺序， 从而在保证了整体高性能的同时又大幅度降低整机功耗。解决了背景技术中提出 的这一矛盾， 填补了这方面的空白。 0007 实现本发明目标的技术解决方案。
21、为 ： 一种基于 ARM 架构的水文水资源遥测终端机， 由主控制模块、 电源控制模块和数据采 集模块分别通过内部总线互联而成 ； 主控制模块包括 CPU 子模块、 数据处理子模块、 时序管 理子模块、 收发控制子模块、 任务管理子模块和若干个硬件串行口 ； 电源控制模块包括 CPU 子模块、 整机供电子模块、 内部接口电源子模块及其硬件供电开关、 通信供电子模块及其硬 件供电开关 ； 数据采集模块包括 CPU 子模块、 传感器供电子模块和数据采集子模块 ； 电源控制模块通过整机供电子模块实现整机各模块中 CPU 子模块的供电、 整机各模块 中内部接口的供电以及外部远程数据通信设备的供电 ； 数。
22、据采集模块由传感器供电子模块对外部传感器供电， 由数据采集子模块采集传感器 数据 ； 主控制模块通过其CPU子模块与数据采集模块的CPU子模块的数据交互取得采集到的 传感器数据， 传感器数据交由数据处理子模块进行数据滤波、 存储和打包处理， 处理完的打 包数据在时序管理子模块的控制下， 通过收发控制子模块和通信供电子模块的配合， 经由 硬件串行口传送给外部远程数据通信设备并发送至远程中心站 ； 设备上电后， 电源控制模块中的整机供电子模块产生设备工作所需的各类工作电源， 供电正常后各个模块执行自身必要的初始化和参数加载后进入无任务休眠状态。 0008 外部的传感器在内部定时或外部中断数据采集事。
23、件的驱动下， 由数据采集模块实 现对外部传感器设备的供电和传感器数据采集， 采集到的传感器数据交由主控制模块进行 数据滤波、 存储和打包处理， 处理完的打包数据在时序管理子模块的控制下， 通过收发控制 子模块和通信供电子模块的配合， 经由外部远程数据通信设备将数据发送至远程中心站 ； 数据采集、 处理、 发送完成后， 设备自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功耗。 0009 所述主控制模块中， CPU子模块采用ARM Cortex M3， 用于实现主控制模块内各子模块任务的运行以及与数 据采集模块、 电源控制模块之间的数据交互和相关供电开关的控制 ； 数据处理子模块用于实现对数据采集模块采集到的传。
24、感器数据进行滤波、 存储和发送 前发送数据包的制作， 制作完成的发送数据包交由收发控制子模块通过外部远程数据通信 设备向远程中心站发送 ； 时序管理子模块一方面通过ARM Cortex M3 CPU子模块与数据采集模块进行数据和控 制动作的交互， 来实现外部传感器按需供电及传感器工作正常后通知执行采数 ； 另一方面 ARM Cortex M3 CPU 子模块与电源控制模块进行数据和控制动作的交互， 来实现通信供电 子模块按需给外部远程数据通信设备供电 ； 收发控制子模块一方面实现获取数据采集模块采集到的外部传感器数据， 并将该数据 转交给数据处理子模块进行后续处理 ； 另一方面将数据处理子模块。
25、制作完成的发送数据包 按照时序管理子模块的控制在外部远程数据通信设备上电准备好的时隙内向远程中心站 发送 ； 任务管理子模块用于排列内部定时器触发的定时数据采集、 发送任务和外部传感器中 断触发的中断数据采集、 发送任务的执行顺序 ； 说 明 书 CN 103645796 A 6 3/7 页 7 数据采集、 处理、 发送完成后， 主控制模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功耗。 0010 所述电源控制模块中， CPU 子模块采用 MSP430 ， 用于实现电源控制模块与主控制模块之间的数据交互和供 电开关的控制 ； 整机供电子模块负责产生设备工作所需的各类工作电源 ； 通信供电子模块负责产生外。
26、部远程数据通信设备的工作电源， 该工作电源经其供电开 关由主控制模块控制在执行远程数据上报发送期间给外部远程数据通信设备供电， 远程数 据上报完成后该电源停止供电以降低整体功耗 ； 内部接口电源经其通供电开关由主控制模块控制在主控制模块工作期间为整机的除 CPU 以外器件供电， 设备睡眠期间该电源停止供电以实现设备的低功耗 ； 数据采集、 处理、 发送完成后， 电源控制模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功 耗。 0011 所述数据采集模块中， CPU 子模块采用 MSP430， 用于实现数据采集模块与主控制模块之间的数据交互 ； 传感器供电子模块负责产生给外部传感器供电的电源， 该电源在数据。
27、采集模块采集外 部传感器数据期间给传感器供电， 传感器数据采集完成后该电源关闭以降低整体功耗 ； 数据采集子模块负责在外部传感器上电后采集外部传感器数据， 并将采集到的外部传 感器数据经由 MSP430 CPU 子模块传输给主控制模块进行后续的数据滤波、 存储和打包上 报 ； 数据采集、 处理、 发送完成后， 数据采集模块自动进入低功耗睡眠模式以降低自身功 耗。 0012 一种基于上述水文水资源遥测终端机的功耗控制方法， 包括定时数据采集发送和 中断数据采集发送两种工况条件下整机分模块、 分时序功耗控制的方法 ； 终端机上电启动并初始化后， 主控制模块、 电源控制模块和数据采集模块均处于休眠 。
28、状态， 使设备静态功耗最低， 外部的传感器在内部定时或外部中断数据采集事件的驱动下， 由数据采集模块实现外部传感器设备的供电和外部传感器数据采集， 采集到的外部传感器 数据交由主控制模块进行数据滤波、 存储和打包处理， 处理完成的打包数据通过主控制模 块中时序管理子模块的控制， 先由电源控制模块中通信供电子模块给外部远程数据通信设 备供电以准备好远程数据发送信道， 然后通过主控制模块中收发控制子模块将打包好的数 据交给远程数据通信设备， 远程数据通信设备将数据上报发送至远程中心站， 数据上报确 认成功后各模块均进入低功耗睡眠模式以降低整机功耗。 0013 定时数据采集发送工况条件下具体的分模块。
29、、 分时序功耗控制过程如下 ： 当内部定时器触发定时数据采集发送后， 主控制模块中时序管理子模块通过主控制模 块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 打开电源控制模块中内部 接口电源子模块的供电开关， 并同时唤醒数据采集模块开始采集外部传感器数据 ； 数据采 集模块通过控制其传感器供电子模块使外部传感器上电工作后开始采集外部传感器数据， 外部传感器数据采集完成后， 数据采集模块将外部传感器电源关闭以降低功耗 ； 然后， 数据 采集模块通过其 CPU 子模块与主控制模块的 CPU 子模块的数据交互， 将采集到的传感器数 据发送给主控制模块的数据处理子模块并使自身进入。
30、低功耗模式 ； 主控制模块的数据处理 说 明 书 CN 103645796 A 7 4/7 页 8 子模块将传感器数据进行滤波、 存储、 打包后交给收发控制子模块准备发送， 同时， 主控制 模块的时序管理子模块通过主控制模块的CPU子模块与电源控制模块的CPU子模块的控制 动作交互， 打开电源控制模块中通信供电子模块对应的供电开关， 使外部远程数据通信设 备上电工作 ； 外部远程数据通信设备上电正常后， 主控制模块的收发控制子模块将打包后 的上报数据通过主控制模块的硬件串行口交给外部远程数据通信设备发送到远程中心站 ； 待主控模块的收发控制子模块收到远程中心站下发的数据上报成功确认后， 主控制。
31、模块的 时序管理子模块控制关闭外部远程数据通信设备的电源和内部接口电源， 设备进入低功耗 休眠状态， 等待下一个定时数据采集发送时间的到来。 0014 中断数据采集发送工况条件下具体的分模块、 分时序控制过程如下 ： 当外部传感器数据发生变化， 在数据采集子模块形成外部数据触发中断时， 数据采集 模块开始工作 ； 数据采集模块通过控制传感器供电子模块使外部传感器上电工作后开始采 集外部传感器数据， 外部传感器数据采集完成后数据采集模块关闭外部传感器电源 ； 同时， 数据采集模块通过其 CPU 子模块与主控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 唤醒主控制 模块工作， 主控制模块中时序管理子模。
32、块通过主控制模块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 打开电源控制模块中内部接口电源子模块的供电开关 ； 然后， 主控制模块通过其 CPU 子模块与数据采集模块的 CPU 子模块的数据交互， 将数据采集模块 采集到的外部传感器数据取到主控制模块的数据处理子模块中进行滤波、 存储和打包 ； 数 据采集模块将外部传感器数据交给主控制模块后自身进入低功耗模式以降低整机功耗 ； 打 包后的数据由数据处理子模块交给收发控制子模块准备发送 ； 接着， 主控制模块的时序管 理子模块通过主控制模块的 CPU 子模块与电源控制模块的 CPU 子模块的控制动作交互， 打 开电源控制模。
33、块中通信供电子模块对应的供电开关， 使外部远程数据通信设备上电工作 ； 外部远程数据通信设备上电正常后， 主控制模块的收发控制子模块将打包后的上报数据通 过主控制模块的硬件串行口交给外部远程数据通信设备发送到远程中心站 ； 待主控模块收 到收发控制子模块到远程中心站下发的数据上报成功确认后， 主控制模块的时序管理子模 块控制关闭外部远程数据通信设备的电源和内部接口电源， 设备进入低功耗休眠状态， 等 待下一个中断数据采集发送触发的到来。 0015 本发明与现有技术和产品相比， 具有如下其显著特点 ：（1） 提出高性能低功耗 RTU 通用的一体化功耗控制方法 ： 通过分模块、 分时序的控制方法控。
34、制不同部件的工作顺序， 从 而在保证 RTU 整体高性能的同时大幅度降低整机功耗。 （2） 通过在 RTU 中引入高性能嵌入 式硬件， 既实现了高处理性能 （采集、 传输流媒体数据） ， 又使静态功耗小于 400 微安 12 伏、 工作功耗小于 25 毫安 12 伏的水平， 综合整机功耗降低 75% 以上， 性能与功耗指标在同类 产品中处于国内领先水平。 0016 随着在水文水资源信息化的深入以及相关产品在国防和海洋等领域的水情、 气 象、 环保、 雷电、 地震等的自动监测场合广泛应用， 本发明具有广泛的应用前景。 附图说明 0017 图 1 是本发明 RTU 的分布式控制层次结构图。 001。
35、8 图 2 是 RTU 定时数据发送分模块、 分时序控制流程图。 0019 图 3 是 RTU 中断数据发送分模块、 分时序控制流程图。 说 明 书 CN 103645796 A 8 5/7 页 9 0020 图 4 是 RTU 定时数据发送分模块、 分时序控制工作时序图。 0021 图 5 是 RTU 中断数据发送分模块、 分时序控制工作时序图。 0022 图 6 是本发明方法实测功耗比较结果图。 具体实施方式 0023 本发明方法选用低功耗的嵌入式硬件， 通过分模块、 分时序控制不同部件的工作 顺序， 在保证整体高性能的同时大幅度的降低整机功耗。其基本原理如下 ： RTU 包含许多功 能，。
36、 从逻辑上可以划分为电源控制模块、 数据采集模块和主控制模块， 从时序上可以分为守 候时间和工作时间， RTU 所有功能并不是同时发生的， 可以细分为不同功能模块的独立工作 时间， 因此， 可以进行整机分模块分时序控制以降低功耗。本发明的基本方法是 ： 首先从逻 辑上划分功能模块并理清相互关系， 然后再从时序上确定各模块的工作顺序和相互组合关 系， 最后通过总体调度控制让每个时间片段上系统内的工作单元数最少 （只让应该工作的 有关联模块工作， 其他非关联的模块休眠） ， 从而在保证整机全部功能完成的同时切实降低 整机功耗。运用本方法研制的基于 ARM 架构的高性能水文水资源遥测终端机经过实测和。
37、实 验比对， 达到使整机功耗降低 75% 以上的效果。根据这个方法， 还可以继续对模块层次和时 序进行优化细分， 但太过细化又会导致控制逻辑的过度复杂， 不利于系统的稳定， 所以本发 明所述遥测终端机采用了三层模块和若干个时隙的组合来实现。 从而使本发明所述遥测终 端机整机功耗达到静态功耗小于 400 微安 12 伏、 工作功耗小于 25 毫安 12 伏的水平， 这 一指标在同类产品中处于国内领先水平。 0024 本发明的技术方案主要分为以下两步 ： 一、 采用多个高性能嵌入式CPU组成RTU的主机系统， 其逻辑结构由三个主要功能模块 组成 ： 主控制模块、 数据采集模块和电源控制模块。各模块。
38、又划分成多个功能子模块， 各功 能子模块只完成单一的功能任务。数据采集模块主要包括 MSP430 CPU 子模块、 传感器供电 子模块和数据采集子模块 ； 主控制模块主要包括ARM Cortex M3 CPU子模块、 数据处理子模 块、 时序管理子模块、 收发控制子模块、 任务管理子模块和若干个硬件串行口 ； 电源控制模 块主要包括整机MSP430 CPU子模块、 整机供电子模块、 通信供电子模块及其硬件供电开关、 内部接口电源子模块及其硬件供电开关。 0025 二、 在统一的时序控制下各个模块及其功能子模块进行组合交替工作， 保证任何 时候工作的模块最少， 从而达到整机功耗最优。 例如 ： 。
39、在无任务的情况下RTU只有任务管理 子模块和数据采集子模块的相关部件工作 ； 当数据采集子模块侦测到传感器数据变化触发 事件或收到来自主控制模块的定时数据采集事件时， 唤醒数据采集模块工作， 数据采集工 作完成后数据采集模块又进入待机状态， 同时主控制模块转入工作状态， 主控制模块的相 关子模块按时序工作， 同样保证其参与工作的子模块最少， 数据处理完成后调用相关协议， 启动收发模块， 完成信息上传、 命令接收和参数设定等任务， 最后所有模块又恢复到睡眠状 态。 0026 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 0027 本发明为实现 RTU 的高性能和低功耗， 采用 72MHz 高性能 32。
40、 位 ARM Cortex M3 架构的 STM32F103ZET6 来做主处理 CPU， 采用低功耗性能优越的 16 位 MSP430 系列中 的 MSP430F149IMP 来做辅助处理 CPU， 利用 ARM 架构来实现整机的多功能和高性能， 利用 说 明 书 CN 103645796 A 9 6/7 页 10 MSP430 系列来实现整机的低静态功耗， 通过上述整机分模块、 分时序控制方法实现整机性 能与功耗的统一。 0028 结合图 1， 本发明的 RTU 的硬件结构分为主控制模块、 电源控制模块、 数据采集模 块。 其中， 主控制模块主要包括ARM Cortex M3 CPU子模块。
41、、 数据处理子模块、 时序管理子模 块、 收发控制子模块、 任务管理子模块和若干个硬件串行口 ； 电源控制模块主要包括MSP430 CPU 子模块、 整机供电子模块、 通信供电子模块及其硬件供电开关、 内部接口电源子模块及 其硬件供电开关 ； 数据采集模块主要包括 MSP430 CPU 子模块、 传感器供电子模块和数据采 集子模块。MSP430 CPU 子模块与整机供电子模块、 内部接口电源子模块及其硬件供电开关 依次连接， MSP430 CPU 子模块与通信供电子模块及其硬件供电开关依次连接 ； ARM Cortex M3 CPU子模块与收发控制子模块及硬件串行口依次连接， ARM Cort。
42、ex M3 CPU子模块、 数据 处理子模块、 时序管理子模块和任务管理子模块之间互相连接 ； MSP430 子模块与传感器供 电子模块、 数据采集子模块依次连接。 0029 主控制模块除完成时序控制管理和数据处理分析功能外还有收发控制子模块和 整机任务管理子模块来完成相应的数据收发和定时、 中断触发数据采集任务的调度管理功 能 ； 电源控制模块和数据采集模块一个主要完成整机电源供应和外部设备电源开关， 另一 个完成传感器供电管理与传感器数据采集。 电源控制模块和数据采集模块在主控制模块的 时序管理子模块的管理下协同工作， 工作方式包括定时数据采集发送和中断数据采集发送 两种， 下面分别结合图。
43、 2、 图 3、 图 4 和图 5 进行说明。 0030 结合图2和图4， 定时数据采集发送工作过程如下 ： RTU启动并初始化后， 主控制模 块、 电源控制模块和数据采集模块都处于休眠状态。 当定时器触发定时数据采集发送后， 主 控模块中的时序管理子模块控制打开电源控制模块中的内部接口电源， 同时唤醒数据采集 模块采集外部传感器数据。 数据采集模块通过控制其传感器供电子模块使外部传感器上电 工作后开始采集外部传感器数据。外部传感器数据采集完成后， 数据采集模块将外部传感 器供电电源关闭以降低功耗。同时， 数据采集模块将采集到的外部传感器数据发送给主控 制模块的数据处理子模块， 数据处理子模块。
44、将数据进行滤波、 存储、 打包后交给收发控制子 模块准备发送。接着， 主控制模块的时序管理子模块控制开启电源控制模块中的外部远程 数据通信设备电源。外部远程数据通信设备上电正常后， 主控制模块的收发控制子模块将 数据通过硬件串行口交给外部远程数据通信设备传输到远程中心站。 待主控制模块的收发 控制子模块收到远程中心站下发的数据上报成功确认后， 主控制模块的时序管理子模块控 制关闭外部远程数据通信设备电源和内部接口电源， 设备进入低功耗休眠状态， 等待下一 个定时数据采集发送时间的到来。 0031 结合图 3 和图 5， 中断数据采集发送工作过程如下 ： RTU 启动并初始化后主控制模 块、 电。
45、源控制模块和数据采集模块都处于休眠状态， 当外部传感器数据发生变化触发数据 采集模块中数据采集子模块中断事件后， 数据采集模块自动唤醒工作。数据采集模块通过 控制其传感器供电子模块使外部传感器上电工作后开始采集外部传感器数据， 外部传感器 数据采集完成后， 数据采集模块将外部传感器供电电源关闭以降低功耗。 然后， 数据采集模 块唤醒主控制模块开始工作， 主控制模块唤醒后先通过其时序管理子模块控制打开电源控 制模块中的内部接口电源。然后， 主控制模块从数据采集模块获取数据采集模块采集的外 部传感器数据， 并交给其数据处理子模块对数据进行滤波、 存储和打包， 打包后的数据交给 说 明 书 CN 1。
46、03645796 A 10 7/7 页 11 主控制模块的收发控制子模块准备发送。接着， 主控制模块的时序管理子模块控制开启电 源控制模块中的外部远程数据通信设备电源。外部远程数据通信设备上电正常后， 主控制 模块的收发控制子模块将数据通过硬件串行口交给外部远程数据通信设备传输到远程中 心站。待主控制模块的收发控制子模块收到远程中心站下发的数据上报成功确认后， 主控 制模块的时序管理子模块控制关闭外部远程数据通信设备电源和内部接口电源， 设备进入 低功耗休眠状态， 等待下一次的外部传感器数据变化触发中断数据采集发送事件。 0032 结合图 6， 本发明 RTU 及其功耗控制方法具体功耗的实测结。
47、果分析如下 ： 以同等条 件下一次数据采集发送过程为例 （含数据采集、 数据滤波、 数据存储、 通信拨号、 通信收发全 过程， 正常为2分钟） ， 在没有采取低功耗管理方法的普通工作模式下， 完成一次数据采集和 发送消耗的功耗为 2190mW， 采用本发明分模块时、 分时序控制方法后， 通过实测各个模块各 个时序的工作时长和工作电流数据， 通过加权平均算法， 最后得到完成一次数据采集和发 送所消耗的功耗为 538.2mW， 只占普通工作模式的 24.6%， 证明本发明方法在 RTU 整体功耗 控制方面效果显著。 说 明 书 CN 103645796 A 11 1/3 页 12 图 1 说 明 书 附 图 CN 103645796 A 12 2/3 页 13 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103645796 A 13 3/3 页 14 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103645796 A 14 。