基于ATmega128的16路遙控單元設計及應用

摘    要：介紹一款基于8位單片機ATmega128為主控芯片，具有16路輸出的ARTU-J16型遙控單元的設計原理，以及該產品主要技術指標與應用案例。
關鍵字：ATmega128芯片；遙控單元；ARTU-J16型

0　 引言
　　在電力及工業自動化控制系統中，斷路器的分合、電機的啟停，電磁閥的開閉等，有眾多的執行機構需要進行遠程控制，在以往的系統設計中常使用多個PLC或帶有通訊和開關量輸出功能的現場儀表組成一個遠程自動控制系統，但高昂的成本和繁瑣的系統結構給自動化設計、應用帶來困擾。
　　本文介紹一款具有16路遙控接點輸出的ARTU-J16，該裝置通過RS485總線與上位機相連，作為遠程繼電器輸出模塊，用于接收計算機指令，執行系統的遙控操作或自動控制，繼電器輸出共16路，裝置擁有1600組操作事件記錄，帶GPS校時功能,在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個月內不丟失，相對以往控制方式，本設計在簡化控制網絡結構的同時，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-J16遙控單元硬件主要包括主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、繼電器控制及輸出、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
　　ARTU-J16型16路遙控執行單元設計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實現雙路RS485通訊、數據處理、事件記錄存取，顯示和16路繼電器常開接點的輸出狀態控制。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時鐘頻率時系統性能可達16MIPS，內帶128k的FlashROM、4k的EEPROM、4k系統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，方便用戶調試，降低了開發成本，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、數據格式等設定功能，撥碼開關（SW1）的10位數據口都接10k電阻上拉到Vcc，電路使用一個74HC244（IC5）數據緩沖器，把撥碼開關的狀態傳送到8位數據總線，剩余兩根數據線則直接接到CPU的I/O端口（見圖2）。

圖2　撥碼開關設定輸入電路

1.3  實時時鐘
　　實時時鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統SOE事件的時間記錄點，該芯片擁有400kHz 串行I²C總線接口，內置頻率為32.768 kHz 的石英振蕩器，提供寬溫、高穩定性的實時時間數據。
1.4  通訊方式
 　　通訊方式采用雙路RS485方式，調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據存儲單元，使用數據鎖存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口組成15位數據地址對IC3進行數據存儲操作（見圖4）。

圖4　事件記錄存儲電路

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，在系統死機的極端情況下及時復位CPU使系統快速恢復至受控狀態（見圖5）。

圖5　看門狗電路 

1.7  繼電器控制及輸出
　　繼電器控制輸出使用一個74HC273（IC14）鎖存需要輸出的8路繼電器輸出狀態，再經由ULN2803（IC15）驅動對應的繼電器（K1只是16路中的一路），二極管D1可以旁路繼電器K1在斷開的瞬間所產生的反向電流，而并接在K1輸出接點上的壓敏電阻VZ1則可以吸收關斷后級感性負載所產生的反向電動勢，有效延長輸出繼電器觸點的壽命（見圖6）。

圖6　繼電器控制及輸出

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，繼電器驅動、通訊等部分電路提供電源。

2　 軟件設計
　　軟件設計流程見圖7。

圖7　軟件流程圖

3　 產品結構特點及技術指標
　　ARTU-J16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，一路用于通用參數的設置及調試，另一路用于和上位機通訊。產品頂端設有撥碼開關窗口，可通過撥碼開關設置產品通訊地址和波特率。產品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測控節點產品通用技術條件》、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。

產品主要技術指標見表1                                                                                             表1  

4　 應用案例
　　以某配電系統為例，1臺ARTU-J16控制8路低壓饋線，CM1斷路器配電動機操作機構，一次方案見圖8（a），控制方式見圖8(b)。啟停按鈕現場手動控制各回路斷路器的合、分閘，遙控單元通過通訊接口集中控制8路斷路器的工作狀態，實現斷路器就地與遠程兩地控制的工作模式。

圖8

5　 結束語
　　ARTU-J16遙控單元于2007年12月在國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心測試，符合相關標準要求。該產品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務大廈、內蒙某煤礦等工程配電監控系統中得到應用，降低了投資成本，產生了較好的社會和經濟效益。

　　文章來源于：《電氣開關》2009年第5期。

參考文獻：
[1] 上海安科瑞電氣有限公司.ARTU四遙單元安裝使用說明書,2008.07版.
[2] 任致遠，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南,中國電力出版社，2007.

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