一款基于ATmega128的16路遙控單元設(shè)計(jì)

在電力及工業(yè)自動(dòng)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(jì)中常使用多個(gè)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(gè)遠(yuǎn)程自動(dòng)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(dòng)化設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)指令，執(zhí)行系統(tǒng)的遙控操作或自動(dòng)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(shí)功能，在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個(gè)月內(nèi)不丟失，相對以往控制方式，本設(shè)計(jì)在簡化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提供了一種低成本，高可靠性的替代方案。

1 電路設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)

1.1 主控CPU

ARTU-J16型16路遙控執(zhí)行單元設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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）。

圖2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入

1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)SOE事件的時(shí)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(shí)時(shí)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）。

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(gè)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）。

圖4 事件記錄存儲電路

1.6 看門狗控制

掉電自動(dòng)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(shí)則自動(dòng)切換到后備電池供電方式。同時(shí)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(shí)復(fù)位CPU使系統(tǒng)快速恢復(fù)至受控狀態(tài)（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(gè)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(dòng)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(dòng)勢，有效延長輸出繼電器觸點(diǎn)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(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(dòng)、通訊等部分電路提供電源。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(dòng)終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。

4 應(yīng)用案例

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(dòng)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(dòng)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。

圖8（a） 圖8（b）。

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(dòng)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。