基于ATmega128的16路遙控單元設計及應用
劉文凱1 李敏1 蔡磊2
（1．山東省建筑設計研究院，山東 濟南 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(chǎn)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(yè)自動化控制系統(tǒng)中，斷路器的分合、電機的啟停，電磁閥的開閉等，有眾多的執(zhí)行機構需要進行遠程控制，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出功能的現(xiàn)場儀表組成一個遠程自動控制系統(tǒng)，但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(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-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）。
1.1 主控CPU ARTU-J16型16路遙控執(zhí)行單元設計采用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，顯示和16路繼電器常開接點的輸出狀態(tài)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(tǒng)性能可達16MIPS，內(nèi)帶128k的FlashROM、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）。
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 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）。
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 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(chǎn)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(chǎn)生的反向電動勢，有效延長輸出繼電器觸點的壽命（見圖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，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。
3 產(chǎn)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(shù)的設置及調試，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。
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性能 |
指 標 |
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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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外殼防護等級 |
IP20 |
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電源 |
DC24V或AC/DC200V |
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電源功耗 |
＜５Ｗ |
4 應用案例
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(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)，實現(xiàn)斷路器就地與遠程兩地控制的工作模式。
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(jiān)督檢驗中心測試，符合相關標準要求。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。
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,200807版.
[2]任致遠，周中.電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南,中國電力出版社，2007.
作者簡介：
劉文凱，男，高級工程師，研究方向為建筑電氣設計；
李敏，男，高級工程師，研究方向為建筑電氣設計；
蔡磊，男，研發(fā)工程師，研究領域為工控產(chǎn)品的設計和開發(fā)。
電話：13656161259
EMAIL：munababy@163.com
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