以ATmega128單片機為主控芯片的的32路遙信單元設計

引言

在電力及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，存在著大量如斷路器的分合、電機的啟停，電磁閥的開閉等執(zhí)行機構狀態(tài)需要檢測并把狀態(tài)反饋回控制單元，從而構成閉環(huán)控制。在以往的系統(tǒng)設計中常使用多個PLC或帶有通訊和開關量輸入功能的現(xiàn)場儀表組成一個遠程自動控制系統(tǒng)，但PLC高昂的成本和繁瑣的系統(tǒng)結構給自動化設計、應用帶來困擾。

本文介紹一款具有32路遙信接點輸入的ARTU-K32，該裝置可接受32路有源或無源接點，把開關量信號經(jīng)通訊實現(xiàn)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，32個通道掃描一周僅需時間為1ms，同時擁有2000組輸入狀態(tài)事件記錄，帶GPS校時功能,在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個月內(nèi)不丟失，相對以往控制方式，本設計在簡化控制網(wǎng)絡結構的同時，提供了一種低成本，高可靠性的替代方案。

1 電路設計原理

ARTU-K32遙信單元硬件電路包括主CPU芯片、撥碼開關設定輸入、實時時鐘、雙路RS485通訊、SOE事件記錄存儲、看門狗控制、光電隔離輸入采集、供電電源模塊等8部分組成。（見圖1）

圖1 電路結構

1.1 主控CPU

32路開關量信號采集單元（ARTU-K32）設計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、事件記錄存取，顯示狀態(tài)控制等。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結構高速低功耗單片機，在16M時鐘頻率時系統(tǒng)性能可達16MIPS，內(nèi)帶128k的Flash、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM；可擴展64k外部存儲器；兩路UART通訊口。同時該芯片擁有JTAG在線編程口，方便用戶調(diào)試，降低了開發(fā)成本，53個可編程I/O口可以掛接足夠多的外圍設備。

1.2 撥碼開關設定輸入

撥碼開關提供用戶一個簡化的人機接口，用于設定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設定功能，撥碼開關（SW1）的10位數(shù)據(jù)口都接10k電阻上拉到Vcc，電路使用一個74HC244（IC5）數(shù)據(jù)緩沖器，把撥碼開關的狀態(tài)傳送到8位數(shù)據(jù)總線，剩余兩根數(shù)據(jù)線則直接接到CPU的I/O端口。（見圖2）

圖2 撥碼開關設輸入電路

1.3 實時時鐘

實時時鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)SOE事件的時間記錄點，該芯片擁有400kHz 串行IIC總線接口，其內(nèi)置的32.768 kHz 石英振蕩器，提供寬溫、高穩(wěn)定性的實時時間數(shù)據(jù)。

1.4 通訊方式

通訊方式采用雙路RS485方式，調(diào)試及設定和上位機通訊部分在物理上分成兩路，互不干擾，有效防止可能存在的誤操作。（見圖3）

圖3 雙路RS485通訊電路

1.5 SOE事件記錄存儲

SOE事件記錄存儲器使用32k低功耗SRAM（IC3）IC61C256AH和后備電源形成一個斷電不丟失的數(shù)據(jù)存儲單元，使用數(shù)據(jù)鎖存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口組成15位數(shù)據(jù)地址對IC3進行數(shù)據(jù)存儲操作。（見圖4）

1.6看門狗控制

掉電自動保存部分使用MAX691CWE（IC8）作為電源管理，在系統(tǒng)有輔助供電的情況下保證IC3由主電源Vcc供電，當主電源掉電時則自動切換到后備電池供電方式。同時此芯片還兼有看門狗功能，在系統(tǒng)死機的極端情況下及時復位CPU，使系統(tǒng)快速恢復至受控狀態(tài)。（見圖5）

1.7 光電隔離的輸入信號狀態(tài)采集

外部開關信號采集使用光耦（IC1，IC2只畫出其中四路）作電器隔離，光耦輸出端使用一個數(shù)據(jù)緩沖器74HC244（IC9）對光耦輸出信號進行緩沖后傳送到CPU的數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。（6）

1.8 電源部分

電源模塊采用PI公司的開關電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給CPU，12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。

2 軟件設計

3 產(chǎn)品結構特點

ARTU-K32采用DIN35mm導軌安裝。前端帶通信指示和信號運行通道指示2組指示燈，通信有兩路RS485接口，（使用ModBus—RTU協(xié)議）一路用于通用參數(shù)的設置及調(diào)試，另一路用于和上位機通訊。產(chǎn)品頂端設有撥碼開關窗口，可通過撥碼開關設置產(chǎn)品通訊地址和波特率。產(chǎn)品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測控節(jié)點產(chǎn)品通用技術條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗方法》和GB/T13729-2002《遠動終端設備》標準。

4 產(chǎn)品主要技術指標見表1

5 應用案例

1臺ARTU-K32可以監(jiān)控8條馬達回路或16路照明回路的工作狀態(tài)。以監(jiān)測馬達回路為例，一次方案見圖8（a），由配輔助、故障觸點的NS斷路器、LC1交流接觸器、LR2熱繼電器和AKH-0.66P保護型互感器組成。每條馬達回路監(jiān)測4組節(jié)點，即斷路器合閘、故障觸點，電機運行（接觸器）狀態(tài)觸點，電機熱過載（熱繼電器）觸點，1臺ARTU-K32監(jiān)測8條馬達回路。見圖8（b），通過現(xiàn)場啟停按鈕控制馬達的運行與停車，現(xiàn)場紅、綠指示燈同步顯示馬達的工作狀態(tài)，遙信單元則可通過監(jiān)測各元件觸點的動作值遠程顯示馬達的工作狀態(tài)。

6 結束語

ARTU-K32遙信單元在國家繼電保護及自動化設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心測試，符合相關要求。該產(chǎn)品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務大廈、內(nèi)蒙古某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應用，降低了投資成本，產(chǎn)生了較好的社會和經(jīng)濟效益。