基于ATmega128的32路遙信單元的設(shè)計及應用
The design and Application under the RTU ATmega128 with 32 DI
摘 要：介紹一款基于8位單片機ATmega128為主控芯片，具有監(jiān)測32路開關(guān)量信號輸入的ARTU-K32型遙信單元設(shè)計原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標與應用案例。
關(guān)鍵字：ATmega128芯片；遙信單元；ARTU-K32 型
0 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(gòu)狀態(tài)需要檢測并把狀態(tài)反饋回控制單元，從而構(gòu)成閉環(huán)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(jié)構(gòu)給自動化設(shè)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(guān)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(shè)計在簡化控制網(wǎng)絡結(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-K32遙信單元硬件電路包括主CPU芯片、撥碼開關(guān)設(shè)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(jié)構(gòu)
1.1 主控CPU
32路開關(guān)量信號采集單元（ARTU-K32）設(shè)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(jié)構(gòu)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(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）
圖2 撥碼開關(guān)設(shè)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(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(shè)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）
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(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）
圖5 看門狗電路
1.7 光電隔離的輸入信號狀態(tài)采集
外部開關(guān)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。（見圖6）
圖6 信號狀態(tài)采集
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，12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。
2 軟件設(shè)計
軟件流程見圖7
圖7 軟件流程圖
3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shè)置及調(diào)試，另一路用于和上位機通訊。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)點產(chǎn)品通用技術(shù)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(shè)備》標準。
4 產(chǎn)品主要技術(shù)指標見表1
產(chǎn)品主要技術(shù)指標 表1
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性能 |
指 標 |
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輸入回路/方式 |
32路有源濕接點或無源干接點 |
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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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開關(guān)量事件分辨率 |
多接點相繼變位的區(qū)分能力，任兩個接點變位時間間隔大于1毫秒時，單元的區(qū)分能力（小于2ms）并在SOE中體現(xiàn)出來 |
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遙信掃描速度 |
32個通道掃描一周需要1ms |
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遙信去抖時間 |
1~99ms可編程（32通道統(tǒng)一的時間） |
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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 |
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)。
圖8
