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RISC-V处理器远程监测系统终端设计

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黄平袁佳朱静羊日飞

摘要：远程监测系统终端是物联网系统的重要组成部分。针对物联网智能充电桩的实时有功功率监测，研究设计了一种以RISC-V架构处理器GD32VF103为主控芯片，以功率计量芯片HLW8012测量有功功率，以SIM800C模块通过GPRS网络提供无线连接方式的远程监测系统终端。系统采用的主控芯片是一款基于开源免费RISC-V架构的国产32位通用微控制器，具备高效的处理效能与均衡的系统资源，适用于工业控制、新兴IoT等领域。系统采用模块化设计具有通用性，可以为其他远程监测系统终端设计提供一定的技术参考与借鉴。

关键词：RISC-V;GD32VF103;GPRS;SIM800C;远程监测;HLW8012

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-03

0引言

物联网是无线通信技术、网络技术、计算机技术等的综合应用。随着物联网的快速发展，其中的远程监测系统应用也越来越广泛，如当前热门的物联网智能充电桩，其包含对充电电压、电流的实时监测，是一种典型的远程监测系统终端。在此背景下，本文介绍了一种远程监测系统终端设计，它以RISC-V处理器为主控制器，以SIM800C模块通过GPRS无线技术远程接收和发送数据。

1系统总体方案设计

远程监测系统通常由移动设备（前端）、云服务器（后端）、嵌入式设备（终端）组成，具体如图1所示。

（1）前端运行有APP或其他小程序，提供与用户交互的界面。

（2）后端是云服务器上运行的后台服务程序，后端作为系统核心，具有连接前端与终端的作用，同时承担数据存储、大数据分析等职责。

（3）终端嵌入式设备与传感器连接，负责采集物理世界的状态和数据，经适当处理后传输至后端服务器。

本文设计的远程监测系统终端以RISC-V处理器为主控芯片，通过连接单相电能计量芯片采集充电桩实时充电的有功功率，将该有功功率值作为传输数据，经SIM800C模块连接GPRS网络，以TCP/IP协议连接后端服务器，不间断传输至远程服务器后端。终端系统硬件结构如图2所示。

2系统硬件设计

2.1RISC-V内核的微处理器GD32VF103

GD32VF103芯片是基于RISC-V内核的32位通用微控制器。RISC-V是由加州大学伯克利分校设计并发布的一种开源指令集架构[1]。RISC-V架构具有如下特点：

（1）具有简洁精练的指令集，其基本的RISC-V指令数目仅有40多条;

（2）具有模块化架构，其指令集使用模块化方式进行组织，通过模块化扩展指令数量并适应不同的应用场景。

GD32VF103微控制器内部采用RISC-V架构的RV32IMAC组合指令集，其适用于低功耗、小面积的嵌入式应用[2]。

GD32VF103微控制器主频为108MHz，内置128KBFLASH存储器与32KBSRAM存储器，采用哈佛结构，使用獨立的总线读取指令和访问数据。内部集成有丰富的外设资源：16位定时器（5个），ADC/DAC（模数/数模转换），U（S）ART，I2C，SPI/I2S，CAN，USBFS等通信接口以及通用GPIO口。本系统使用该款芯片作为核心控制器较为合适。

2.2GPRS网络模块SIM800C

SIM800C模块是一款性能稳定，性价比高的工业级GSM/GPRS模块，其工作频率支持4频850/900/1800/1900MHz全球使用，可以实现语言、SMS、传真和数据信息的低功耗传输。

主控芯片通过AT命令集对SIM800C模块进行控制，模块与远端服务器进行TCP连接后可将本地系统采集的数据传输至服务器端，同时也可接收服务器发来的控制命令。模块供电范围为3.4～4.4V，发射功率支持1W或2W，硬件由1路标准的全功能串口与主控芯片连接。

2.3功率计量芯片HLW8012

HLW8012是深圳合力为科技推出的单相电能计量芯片，可以测量有功功率、电压、电流有效值，被广泛应用于智能家电、智能路灯等场合[3]。HLW8012通过VIP，VIN引脚外接康铜电阻采样电流信号，V2P引脚采样电压信号，芯片内部计算出有功功率，经CF引脚输出占空比为50%的脉冲信号，主控制器通过测量CF引脚脉冲信号的周期得到测量的有功功率值。

2.4硬件电路设计

主控芯片GD32VF103采用3.3V电源供电，外接8MHz无源晶振作为时钟源，经内部PLL倍频产生108MHz系统时钟。GD32VF103的通用GPIO口有5组，分别为PA，PB，PC，PD和PE，每组各有16个GPIO引脚。本电路选用其中一个引脚PC0作为输入，与经光耦隔离的HLW8012芯片CF引脚连接。PC0引脚设置为外部中断模式，可提高CF引脚