基于ATmega128的16路遙控單元設(shè)計及應(yīng)用
劉文凱1 李敏1 蔡磊2
（1．山東省建筑設(shè)計研究院，山東 濟(jì)南 250001
2．江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）
摘要：介紹一款基于8位單片機(jī)ATmega128為主控芯片，具有16路輸出的ARTU-J16型遙控單元的設(shè)計原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用案例。
關(guān)鍵字：ATmega128芯片；遙控單元；ARTU-J16型
0 引言
在電力及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，斷路器的分合、電機(jī)的啟停，電磁閥的開閉等，有眾多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在以往的系統(tǒng)設(shè)計中常使用多個PLC或帶有通訊和開關(guān)量輸出功能的現(xiàn)場儀表組成一個遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)，但高昂的成本和繁瑣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給自動化設(shè)計、應(yīng)用帶來困擾。
本文介紹一款具有16路遙控接點(diǎn)輸出的ARTU-J16，該裝置通過RS485總線與上位機(jī)相連，作為遠(yuǎn)程繼電器輸出模塊，用于接收計算機(jī)指令，執(zhí)行系統(tǒng)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(nèi)不丟失，相對以往控制方式，本設(shè)計在簡化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時，提供了一種低成本，高可靠性的替代方案。
1 電路設(shè)計原理
ARTU-J16遙控單元硬件主要包括主CPU芯片、撥碼開關(guān)設(shè)定輸入、實(shí)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）。
1.1 主控CPU ARTU-J16型16路遙控執(zhí)行單元設(shè)計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實(shí)現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、事件記錄存取，顯示和16路繼電器常開接點(diǎn)的輸出狀態(tài)控制。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結(jié)構(gòu)高速低功耗單片機(jī)，在16M時鐘頻率時系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，內(nèi)帶128k的FlashROM、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)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(shè)備。
1.2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入
撥碼開關(guān)提供用戶一個簡化的人機(jī)接口，用于設(shè)定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設(shè)定功能，撥碼開關(guān)（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(guān)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）。
1.3 實(shí)時時鐘
實(shí)時時鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)SOE事件的時間記錄點(diǎn)，該芯片擁有400kHz 串行 總線接口，內(nèi)置頻率為32.768 kHz 的石英振蕩器，提供寬溫、高穩(wěn)定性的實(shí)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(shè)定和上位機(jī)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）。
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(jìn)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(dāng)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(jī)的極端情況下及時復(fù)位CPU使系統(tǒng)快速恢復(fù)至受控狀態(tài)（見圖5）。
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(tài)，再經(jīng)由ULN2803（IC15）驅(qū)動對應(yīng)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(chǎn)生的反向電流，而并接在K1輸出接點(diǎn)上的壓敏電阻VZ1則可以吸收關(guān)斷后級感性負(fù)載所產(chǎn)生的反向電動勢，有效延長輸出繼電器觸點(diǎn)的壽命（見圖6）。
1.8 電源部分
電源模塊采用PI公司的開關(guān)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(qū)動、通訊等部分電路提供電源。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計流程見圖7。
3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)
ARTU-J16采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝。前端帶通信指示和信號運(yùn)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(shù)的設(shè)置及調(diào)試，另一路用于和上位機(jī)通訊。產(chǎn)品頂端設(shè)有撥碼開關(guān)窗口，可通過撥碼開關(guān)設(shè)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(diǎn)產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗(yàn)方法》和GB/T13729-2002《遠(yuǎn)動終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)見表1 表1 |
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性能 |
指 標(biāo) |
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輸出回路 |
16路繼電器輸出（脈沖或保持方式） |
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輸出容量 |
AC 5A/220V或DC 5A/30V
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總線方式 |
二線制半雙工RS485（ModBus—RTU）建議采用三芯屏蔽線 |
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總線容量 |
≤32 |
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操控準(zhǔn)確率 |
100% |
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事件順序記錄（SOE）容量 |
1600組 |
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外殼防護(hù)等級 |
IP20 |
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電源 |
DC24V或AC/DC200V |
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電源功耗 |
＜５Ｗ |
4 應(yīng)用案例
以某配電系統(tǒng)為例，1臺ARTU-J16控制8路低壓饋線，CM1斷路器配電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)，一次方案見圖8（a），控制方式見圖8(b)。啟停按鈕現(xiàn)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(tài)，實(shí)現(xiàn)斷路器就地與遠(yuǎn)程兩地控制的工作模式。
5 結(jié)束語
ARTU-J16遙控單元于2007年12月在國家繼電保護(hù)及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測試，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該產(chǎn)品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務(wù)大廈、內(nèi)蒙某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，降低了投資成本，產(chǎn)生了較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]上海安科瑞電氣有限公司.ARTU四遙單元安裝使用說明書,200807版.
[2]任致遠(yuǎn)，周中.電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社，2007.
作者簡介：
劉文凱，男，高級工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ姎庠O(shè)計；
李敏，男，高級工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ姎庠O(shè)計；
蔡磊，男，研發(fā)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楣た禺a(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)。
電話：13656161259
EMAIL：munababy@163.com
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