RISC-V處理器遠程監測系統終端設計

黃平 袁佳 朱靜 羊日飛

摘 要：遠程監測系統終端是物聯網系統的重要組成部分。針對物聯網智能充電樁的實時有功功率監測，研究設計了一種以RISC-V架構處理器GD32VF103為主控芯片，以功率計量芯片HLW8012測量有功功率，以SIM800C模塊通過GPRS網絡提供無線連接方式的遠程監測系統終端。系統采用的主控芯片是一款基于開源免費RISC-V架構的國產32位通用微控制器，具備高效的處理效能與均衡的系統資源，適用于工業控制、新興IoT等領域。系統采用模塊化設計具有通用性，可以為其他遠程監測系統終端設計提供一定的技術參考與借鑒。

關鍵詞：RISC-V;GD32VF103;GPRS;SIM800C;遠程監測;HLW8012

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

物聯網是無線通信技術、網絡技術、計算機技術等的綜合應用。隨著物聯網的快速發展，其中的遠程監測系統應用也越來越廣泛，如當前熱門的物聯網智能充電樁，其包含對充電電壓、電流的實時監測，是一種典型的遠程監測系統終端。在此背景下，本文介紹了一種遠程監測系統終端設計，它以RISC-V處理器為主控制器，以SIM800C模塊通過GPRS無線技術遠程接收和發送數據。

1 系統總體方案設計

遠程監測系統通常由移動設備（前端）、云服務器（后端）、嵌入式設備（終端）組成，具體如圖1所示。

（1）前端運行有APP或其他小程序，提供與用戶交互的界面。

（2）后端是云服務器上運行的后臺服務程序，后端作為系統核心，具有連接前端與終端的作用，同時承擔數據存儲、大數據分析等職責。

（3）終端嵌入式設備與傳感器連接，負責采集物理世界的狀態和數據，經適當處理后傳輸至后端服務器。

本文設計的遠程監測系統終端以RISC-V處理器為主控芯片，通過連接單相電能計量芯片采集充電樁實時充電的有功功率，將該有功功率值作為傳輸數據，經SIM800C模塊連接GPRS網絡，以TCP/IP協議連接后端服務器，不間斷傳輸至遠程服務器后端。終端系統硬件結構如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 RISC-V內核的微處理器GD32VF103

GD32VF103芯片是基于RISC-V內核的32位通用微控制器。RISC-V是由加州大學伯克利分校設計并發布的一種開源指令集架構[1]。RISC-V架構具有如下特點：

（1）具有簡潔精練的指令集，其基本的RISC-V指令數目僅有40多條;

（2）具有模塊化架構，其指令集使用模塊化方式進行組織，通過模塊化擴展指令數量并適應不同的應用場景。

GD32VF103微控制器內部采用RISC-V架構的RV32IMAC組合指令集，其適用于低功耗、小面積的嵌入式應用[2]。

GD32VF103微控制器主頻為108 MHz，內置128 KB FLASH存儲器與32 KB SRAM存儲器，采用哈佛結構，使用獨立的總線讀取指令和訪問數據。內部集成有豐富的外設資源：16位定時器（5個），ADC/DAC（模數/數模轉換），U（S）ART，I2C，SPI/I2S，CAN，USB FS等通信接口以及通用GPIO口。本系統使用該款芯片作為核心控制器較為合適。

2.2 GPRS網絡模塊SIM800C

SIM800C模塊是一款性能穩定，性價比高的工業級GSM/GPRS模塊，其工作頻率支持4頻850/900/1 800/1 900 MHz全球使用，可以實現語言、SMS、傳真和數據信息的低功耗傳輸。

主控芯片通過AT命令集對SIM800C模塊進行控制，模塊與遠端服務器進行TCP連接后可將本地系統采集的數據傳輸至服務器端，同時也可接收服務器發來的控制命令。模塊供電范圍為3.4～4.4 V，發射功率支持1 W或2 W，硬件由1路標準的全功能串口與主控芯片連接。

2.3 功率計量芯片HLW8012

HLW8012是深圳合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電壓、電流有效值，被廣泛應用于智能家電、智能路燈等場合[3]。HLW8012通過VIP，VIN引腳外接康銅電阻采樣電流信號，V2P引腳采樣電壓信號，芯片內部計算出有功功率，經CF引腳輸出占空比為50%的脈沖信號，主控制器通過測量CF引腳脈沖信號的周期得到測量的有功功率值。

2.4 硬件電路設計

主控芯片GD32VF103采用3.3 V電源供電，外接8 MHz無源晶振作為時鐘源，經內部PLL倍頻產生108 MHz系統時鐘。GD32VF103的通用GPIO口有5組，分別為PA，PB，PC，PD和PE，每組各有16個GPIO引腳。本電路選用其中一個引腳PC0作為輸入，與經光耦隔離的HLW8012芯片CF引腳連接。PC0引腳設置為外部中斷模式，可提高CF引腳脈沖信號下降沿的測量精度。

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為串口發送端，數據從SIM800C發出;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個串行異步收發口，本電路選用其中1個與SIM800C連接，串口配置為115 200 bit/s波特率、8位數據位、無校驗位、1位停止位，由于SIM800C和主控芯片都是3.3 V電平，所以無需加入電平轉換電路，只在兩者之間串接1 kΩ電阻即可保證信號符合串口傳輸要求。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括兩部分，即控制功率計量芯片HLW8012的軟件設計與控制SIM800C模塊的軟件設計。

3.1 控制HLW8012的程序設計

因為HLW8012的CF引腳輸出占空比為1∶1的高頻方波信號，且方波的周期與測量的有功功率大小成反比，所以主控芯片將通過與CF連接的GPIO口作為輸入，精確測量方波的周期后再經過公式計算獲取有功功率。周期的測量原理利用了GPIO口的下降沿外部中斷觸發，同時利用定時器測量兩次下降沿外部中斷的時間間隔，得到脈沖周期。有功功率數值的公式計算利用測得的周期時間在主循環程序中進行。控制HLW8012程序流程如圖4所示。

3.2 控制SIM800C的程序設計

主控芯片GD32VF103上電后，首先對芯片的USART口進行初始化，設置串口波特率等硬件參數，并配置內核中斷控制器（ECLIC），編寫相應串口中斷服務子程序，用于接收SIM800C串口發來的數據。

主控芯片通過串口輸出AT指令控制SIM800C模塊，AT指令的語法格式是以“AT”前綴開頭，指令結尾必須包含“＼r＼n”，十六進制數為0x0D，0x0A。SIM800C上電復位后，主控芯片首先發送一系列AT命令查詢模塊相關狀態，具體命令如下：

（1）AT：測試模塊響應，期待返回“OK”;

（2）AT+CGMM：查詢模塊型號，返回“SIMCOM_SIM800”;

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

（4）AT+CSQ：查詢信號質量，返回SIM800C模塊的無線信號強度，如“+CSQ：24，0”。

遠程監測終端通過TCP/IP協議與后端服務器連接，終端作為TCP客戶端，向服務器發送TCP連接請求，采用AT命令：AT+CIPSTART=“TCP”，“39.97.169.199”，“8086”。其中“39.97.169.199”是遠端服務器的IP地址，“8086”為TCP端口號，模塊接收到該命令后，將與服務器建立一個TCP連接，若連接成功將返回“CONNECT OK”。

其后，根據與服務器事先確定的業務流程，終端發送本設備的序列號，登錄并更新服務器終端設備列表，服務器在確定終端上線并保持與終端連接時，可將前端用戶的操作命令下傳給終端，終端同時將監測到的有功功率值等數據上傳到服務器。

4 結 語

本文設計實現了基于RISC-V架構GD32VF103微控制器的遠程監測終端系統，系統將GD32VF103作為主控芯片，HLW8012為數據采集模塊，SIM800C為GPRS網絡模塊，實現了數據的采集與遠程傳輸。由于RISC-V架構處理器具備均衡的處理效能和系統資源，使本系統的解決方案具有一定的通用性，因此在此方案基礎上進行擴展或修改，可以設計實現許多其他嵌入式或物聯網應用。

注：本文通訊作者為羊日飛。

參考文獻

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