基于ATmega128的32路遙脈單元設計及應用

1 于宏業 2 任景瑞 3李海全
（1長春黃金設計院，吉林 長春  130012
3．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，具有接收32路脈沖信號輸入的ARTU-P32型遙脈單元設計原理，以及該產品主要技術指標與應用案例。
關鍵字：ATmega128芯片；遙脈單元；ARTU-P32型

0　 引言
　　隨著國家機關大樓、大型公共建筑能耗計量考核規范的推出，主要電氣干線加裝電能計量裝置已成為設計、審圖和竣工驗收的內容之一，有條件的省市還要建立能耗監測系統。
　　但已建樓宇主要電氣干線上一般安裝的往往是壁掛式機械電能表，不帶RS485通訊接口，拆除重裝智能表既造成浪費，又增加成本。本文介紹一款具有32路遙脈接點輸入的ARTU-P32，該裝置可接受32路有源或無源電能脈沖信號，把各路脈沖分別進行累加計數，再經通訊實現和上位機監控系統的數據交換，既不浪費原有電表，又實現電能集中抄表，減少人工抄表成本，提高管理效率。

1　 電路設計原理
　　ARTU-P32遙脈單元硬件電路包括，主CPU芯片、撥碼開關設定輸入、實時時鐘、雙路RS485通訊、脈沖計數存儲、電源管理及看門狗控制、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　電路結構

1.1  主控CPU
　　32路開關量信號采集單元（ARTU-P32）設計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實現雙路RS485通訊、數據處理、脈沖記錄存取，顯示狀態控制等。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Flash、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）提供給系統當前時間數據，該芯片擁有400kHz 串行IIC總線接口，其內置的32.768 kHz 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  脈沖計數存儲
　　脈沖計數存儲器使用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　脈沖計數存儲電路

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  光電隔離的輸入信號狀態采集
　　外部開關信號采集使用光耦（IC1，IC2只畫出其中四路）作電器隔離，光耦輸出端使用一個數據緩沖器74HC244（IC9）對光耦輸出信號進行緩沖后傳送到CPU的數據總線供CPU讀取。（見圖6）

圖6　信號狀態采集 

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，12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。

2 　軟件設計
　　軟件流程見圖7

圖7　軟件流程圖

3　 產品特點
　　ARTU-P32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，32個通道掃描一周僅需時間為1ms，每個輸入通道可以最大計數到4294967296，同時帶GPS校時功能,可實現電能計數的凍結、解凍等功能，在外部電源掉電后可以保證脈沖數據記錄一個月內不丟失。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。

4　 技術指標 
　　產品主要技術指標詳見表1

表1

5　 應用案例
　　以計量32個電氣干線電能為例，電能表為DTM862-2型，一次方案見圖8(a)，電能脈沖采集二次見圖8(b)。使用傳統的機械式電能表附帶脈沖接口，利用智能化的脈沖接收裝置實現遠程集中式抄表功能。

圖8

6　 結束語
　　ARTU-P32遙脈單元于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：《低壓電器》2009年第18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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