采用ATmega128的無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

電力日益市場(chǎng)化的環(huán)境下，電力公司必須提高服務(wù)質(zhì)量以保持競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前我國(guó)的一些地區(qū)，配網(wǎng)自動(dòng)化程度低，人員工作效率低。根據(jù)這種需求，設(shè)計(jì)了無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng).整個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是基于RS-485串口通信的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)傳電臺(tái)每站點(diǎn)設(shè)一部，分別連接主站的數(shù)據(jù)采集工作站和分站的RTU/FTU等，進(jìn)行輪詢通信。各分站作業(yè)數(shù)據(jù)上報(bào)以及數(shù)采工作站的控制指令下行傳輸都通過(guò)無(wú)線方式完成。

1 設(shè)計(jì)思想

數(shù)據(jù)采集單元采用先進(jìn)的ATmega128嵌入式單片機(jī)作為核心部件，利用RS-485通信接口與控制系統(tǒng)通信。測(cè)量站主要是將捕捉的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號(hào)傳給微處理器，接收遙控指令并發(fā)送數(shù)據(jù);主控站的主要工作是發(fā)送遙控指令、接收數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。見(jiàn)圖1。
1.1   高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC5510
該系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換采用TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是TI公司的8位A／D轉(zhuǎn)換器，是一款高速、低功耗且內(nèi)部帶有采樣保持電路。它的數(shù)據(jù)采集時(shí)序是當(dāng)CLK為高電平時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，當(dāng)CLK為低電平時(shí)輸出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)要從A／D中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只要javascript:if(this.width>500)this.style.width=500;" border="0" /> 保持低電平即可，當(dāng) javascript:if(this.width>500)this.style.width=500;" border="0" />為高電平時(shí)D1-D8為高阻態(tài).見(jiàn)圖2.
1.2  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口電路設(shè)計(jì)與流程
FIFO芯片SN74ACT7808是2048字節(jié)×9位可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出異步讀寫(xiě)操作的雙端口存儲(chǔ)器.讀寫(xiě)操作會(huì)自動(dòng)訪問(wèn)存儲(chǔ)器中連續(xù)的存儲(chǔ)單元。從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)順序與寫(xiě)入的順序相同，地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)先定義好了。對(duì)FIFO的讀寫(xiě)操作只由讀寫(xiě)信號(hào)控制，不需要另外的地址信息。這使得FIFO的控制電路變得十分簡(jiǎn)單：讀數(shù)據(jù)時(shí)只要OE保持為高電平同時(shí)使UNCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿；寫(xiě)數(shù)據(jù)只要LDCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿即可.
由于是高速數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)相對(duì)A／D來(lái)說(shuō)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路讓數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)自動(dòng)完成，見(jiàn)圖2。單片機(jī)的PB0引腳通過(guò)與門與外部CLK時(shí)鐘相連，這樣單片機(jī)就可以控制A／D的采樣。當(dāng)PB0為高電平時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)PB0引腳為低電平時(shí)A／D的CLK沒(méi)有脈沖，采樣停止。當(dāng)FIFO保存的數(shù)據(jù)幾乎滿后給單片機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)接到中斷信號(hào)后置PB0為低電平停止采樣，然后把數(shù)據(jù)從FIFO中讀出。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的PG0引腳經(jīng)反向器后接到FIFO的UNCK，PC4腳接到FIFO的OE，它的有效地址只要保持PC4引腳為高電平即可。數(shù)據(jù)處理完畢后再接著采樣，如此反復(fù)，完成周期性采樣[2]。

2 嵌入式單片機(jī)ATmega128與數(shù)傳電臺(tái)的串行通信
ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、SPI串行端口、異步串行口與JTAG測(cè)試接口(此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。
2.1  ATmega128的串行通信方式
串行通信波特率:9600bps,發(fā)送接收方式:一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，1位停止位。UARTO初始化可以在ICC AVR中設(shè)置完成，而且Builder自動(dòng)生成中斷服務(wù)子程序和人口地址，只需在服務(wù)子程序中加人處理代碼即可。
//UARTO  initialisation
//desired baud rate:9600
//char size:8bit
//parity: Disabled
void uart0_init(void)
{
UCSR0A=0x00;
UCSR0B=0x98;    //接收完成中斷允許，發(fā)送數(shù)據(jù)允許.
UCSR0C=0x06;    //發(fā)送接收的字符長(zhǎng)度為8位.
UBRR0H=0x00;
}
接收數(shù)據(jù)時(shí),單片機(jī)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，假設(shè)接收到第一個(gè)“*”字符，標(biāo)志置1，認(rèn)為通信正常，可以接收數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，判斷是否收到接收完成消息；是,則清除標(biāo)志，使得下次收到的數(shù)據(jù)無(wú)效，直到再次收到“*”，標(biāo)志置1。標(biāo)志為1時(shí)，判斷是否收到消息(字符值等于8)；是,將上次收到字符清為0;不是則將接收到的數(shù)據(jù)保存到接收緩沖區(qū)中。執(zhí)行操作后，最后將接收到的字符發(fā)回給計(jì)算機(jī)。單片機(jī)通信流程圖見(jiàn)圖3。

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2.2   ATmega128與數(shù)傳電臺(tái)的硬件連接
數(shù)傳電臺(tái)與單片機(jī)、終端主控機(jī)的通信協(xié)議:標(biāo)準(zhǔn)串行RS485接口,通信幀格式——1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率9600bps。建議使用窄帶無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)MDS SCADA，專門用于電力自動(dòng)化中。此電臺(tái)采用工業(yè)級(jí)鑄鋁封裝，可提升電磁干擾,繞射能力強(qiáng)，提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口，系統(tǒng)響應(yīng)快。
系統(tǒng)采用異步串行通信方式。利用單片機(jī)串口與數(shù)字電臺(tái)RS-485數(shù)據(jù)口相連,電臺(tái)常態(tài)為收狀態(tài)(PPT=0，收狀態(tài)；PPT=1，發(fā)狀態(tài))。單片機(jī)通過(guò)帶控制端的三態(tài)緩沖門74HC125、非門74HC14控制電臺(tái)的收發(fā)轉(zhuǎn)換。接收時(shí)，PC1=1，PC1經(jīng)74HC14反相、光電隔離,使電臺(tái)PPT腳為低電平,將其置為接收狀態(tài);發(fā)射時(shí)，PC1=0，經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺(tái)PPT腳為高電平，將其置為發(fā)射狀態(tài)；同時(shí)74HC125A截止,74HC125B導(dǎo)通,數(shù)據(jù)由單片機(jī)TXD腳輸出，經(jīng)74HC125B緩沖門、光電隔離、MAX232電平變換，通過(guò)電臺(tái)TXD端口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體硬件連接見(jiàn)圖4。

3  結(jié)束語(yǔ)
國(guó)家的農(nóng)網(wǎng)改造，使配電網(wǎng)絡(luò)的供電能力得到了很大的提高．但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電力部門又提出了更高的要求．結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)于實(shí)時(shí)性、配電質(zhì)量要求教高的地區(qū)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建成使用后，運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)與有線網(wǎng)相比，具有建網(wǎng)費(fèi)用低、建設(shè)周期短、維護(hù)量小、抗災(zāi)能力強(qiáng)、無(wú)需查線檢修、數(shù)據(jù)易傳等優(yōu)點(diǎn)。由于在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用了ATmega128,其開(kāi)發(fā)速度較以往有很大的提高，這種高效靈活的嵌入式正廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，有著廣闊的前景。
4  本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1.本系統(tǒng)采用了多種先進(jìn)技術(shù)，高性能單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。2.本系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)采集精度高等比較突出的優(yōu)點(diǎn)。3.由于本系統(tǒng)和上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳送，可以把檢測(cè)記錄的數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，有助于實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化。