基于AVR單片機(jī)的負(fù)荷缸多路遙控開關(guān)編解碼實現(xiàn)

1 問題的提出

我們通過把由發(fā)電機(jī)供電的通電極板放到負(fù)荷缸水電阻中，用充氣升降極板和補給水調(diào)節(jié)水電阻大小的方法控制試驗發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷的大小，對發(fā)電機(jī)的性能進(jìn)行試驗。體積龐大的負(fù)荷缸一般放置在碼頭，在船舶發(fā)電機(jī)的負(fù)荷試驗中需要在船舶配電板處控制負(fù)荷缸的各個部件，所以我們在船舶配電板處安裝了負(fù)荷缸遙控臺，通過一條40芯約100 m長的多芯電纜連接負(fù)荷缸和遙控臺。控制線路連接如圖1所示。

在多年的使用經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

(1)因為電纜芯線繁多，工人接線時往往出現(xiàn)接錯線的問題，導(dǎo)致遙控臺沒法正常工作，需耗費時間進(jìn)行調(diào)試。

(2)這條多芯的電纜非常大，在每次試驗安裝的時候需要耗費很多人力進(jìn)行拉放。

(3)經(jīng)過長期多次的使用，會出現(xiàn)電纜芯線折斷無法正常使用的現(xiàn)象，導(dǎo)致在試驗期間需花費人力進(jìn)行檢查。

鑒于以上存在的問題，我們提出了以下的設(shè)想：尋找一種方法對這些多路遙控開關(guān)信號進(jìn)行編碼傳送，然后在另一端進(jìn)行解碼，使得可以用兩芯或較少的芯線來取代這條多芯電纜。

2 解決方案

對于以上遙控臺和負(fù)荷缸連接原理圖，因為在遙控臺上由負(fù)荷缸供電的低水位回傳信號指示燈等可以容易地改為由遙控臺端供電，而在負(fù)荷缸端只提供開關(guān)量信號，于是實際的問題便變成了實現(xiàn)一種對多路遙控開關(guān)和返回開關(guān)量信號進(jìn)行編碼。剛開始考慮到采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)對這些開關(guān)進(jìn)行采樣，用A／D，D／A轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)，但為了保證信號長距離傳輸?shù)目煽啃?，決定用數(shù)字信號的方式對這些開關(guān)量進(jìn)行編解碼，隨著技術(shù)的進(jìn)步使這種設(shè)想成為可能，經(jīng)過綜合比較，我們決定選用功能強大，價格便宜的ATMEL Mega8單片機(jī)對這些開關(guān)信號進(jìn)行編解碼和信號傳輸控制。

DIP封裝的ATMEL Mega8單片機(jī)只有28個管腳，除掉電源和用于單片機(jī)之間通信必要的串行端口引腳，實際可用來做信號采集和輸出的管腳遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，然而ATMEL Mega8單片機(jī)的12 MHz的高速運行速度相對于開關(guān)動作的速度來說極其快速，通過74SL244緩沖器和74SL273鎖存器共用單片機(jī)管腳，在程序中控制緩沖器使能端，控制鎖存器時鐘信號的方法擴(kuò)展單片機(jī)I／O口。

負(fù)荷缸端單片機(jī)具體連接如圖2所示。

圖2中2個74SL273鎖存器和1個74SL244緩沖器共用單片機(jī)PB和Pc端口低四位管腳，單片機(jī)通過PB4，PD3，PB5管腳分別控制第一個、第二個鎖存器的時鐘脈沖輸入端和緩沖器和使能端。我們在程序中設(shè)置單片機(jī)PB和PC端口低四位管腳為輸入狀態(tài)，控制74SL244緩沖器的使能端為低電平，并屏蔽兩個74SL273鎖存器的時鐘輸入，從而通過74SL244緩沖器采集負(fù)荷缸工作狀態(tài)開關(guān)信號；在程序中設(shè)置單片機(jī)PB和PC端口低四位管腳為輸出狀態(tài)，控制74SL244緩沖器的使能端為高電平，并讓單片機(jī)給其中一個74SL273鎖存器的加上時鐘輸人信號，從而通過74SL273鎖存器輸出一組開關(guān)狀態(tài)控制信號。

因為在負(fù)荷端和遙控臺的連接距離接近100 m，超過串口RS 232信號可靠傳送到達(dá)的距離，我們增加了SN75LBC184 RS 232／RS 485串行通信轉(zhuǎn)換器芯片，SN75LBC184輸人和單片機(jī)TXD、RXD管腳相連，單片機(jī)PD2引腳控制SN75LBC184芯片的收發(fā)使能端實現(xiàn)收發(fā)功能的轉(zhuǎn)換，用兩芯的電纜連接負(fù)荷缸端和遙控臺端SN75LBC184芯片的輸出端口，實現(xiàn)了單片機(jī)串口信號的遠(yuǎn)距離傳送和電路的半雙工工作，具體連接如圖3所示。

3 串行通信協(xié)議及編程實現(xiàn)

3.1 串行通信協(xié)議

在從遙控臺端單片機(jī)和負(fù)荷缸被控端單片機(jī)的通信中．我們選擇通信協(xié)議為：9600波特率，8個數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗。

遙控臺端單片機(jī)和負(fù)荷缸被控端單片機(jī)之間的通信方式采用主從定時請求應(yīng)答方式，遙控臺端單片機(jī)始終具有主動發(fā)送權(quán)，定時向負(fù)荷缸被控端單片機(jī)發(fā)送設(shè)置16個開關(guān)狀態(tài)命令幀和讀取回傳指示燈開關(guān)狀態(tài)命令，負(fù)荷缸單片機(jī)處于被動狀態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

在負(fù)荷缸的控制中，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運行時，意外的主開關(guān)分閘信號等同于發(fā)電機(jī)突卸負(fù)荷，特別是當(dāng)滿負(fù)荷運行時意外的主開關(guān)分閘信號等同于發(fā)電機(jī)的瞬時100％突卸負(fù)荷，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)飛車現(xiàn)像，嚴(yán)重的損害發(fā)電機(jī)的性能，因此信號傳輸?shù)目煽啃苑浅Ｖ匾诒鞠到y(tǒng)中遙控臺到負(fù)荷缸的命令幀格式采用如圖4所示的方法進(jìn)行通訊握手和數(shù)據(jù)校驗保證遙控臺和負(fù)荷缸端的數(shù)據(jù)的可靠傳輸和控制。

其中：@為幀開始標(biāo)志符，$為幀結(jié)束標(biāo)志符，D1，D2分別為第一、第二組8個開關(guān)狀態(tài)組成的1個字節(jié)的無符號字符，V1，V2為其對應(yīng)校驗碼，這里采用其按位取反。當(dāng)D1，D2，V1，V2都為ASCII碼0xff時為請求負(fù)荷缸端回傳開關(guān)狀態(tài)命令幀，負(fù)荷缸端單片機(jī)響應(yīng)命令回傳負(fù)荷缸端開關(guān)狀態(tài)命令幀的格式為：

其中：@為幀開始標(biāo)志符，D1為8個回傳指示燈開關(guān)狀態(tài)組成的1個字節(jié)的無符號字符，V1為D1按位取反較驗碼，$為幀結(jié)束標(biāo)志符。

3.3 通訊握手和數(shù)據(jù)較驗編程實現(xiàn)

在單片機(jī)編程中，為了方便命令幀數(shù)據(jù)較驗，我們在單片機(jī)程序中設(shè)置了30個字節(jié)的堆棧空間用于緩存接收的數(shù)據(jù)，負(fù)荷缸端單片機(jī)程序流程圖如圖5所示，該程序在實際工作中運行穩(wěn)定，滿足工作的要求。

4 結(jié) 語

本文利用AVR單片機(jī)的高速運行速度，采用74SL244緩沖器和74SL273鎖存器擴(kuò)展單片機(jī)I／O口，實現(xiàn)了多路遠(yuǎn)程遙控開關(guān)量采集監(jiān)控和數(shù)字信號編碼，采用了握手和數(shù)據(jù)較驗的方法保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和控制，用SN75LBC184 RS 232／RS 485串行通信轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)了串行通信信號的遠(yuǎn)距離傳送。本文的方法也可用于其他開關(guān)量信號采集和自動化控制場所，實現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)控。