基于ATmega128的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

電力日益市場化的環(huán)境下，電力公司必須提高服務(wù)質(zhì)量以保持競爭力。當(dāng)前我國的一些地區(qū)，配網(wǎng)自動化程度低，人員工作效率低。根據(jù)這種需求，設(shè)計了無線數(shù)傳系統(tǒng).整個無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是基于RS-485串口通信的一點對多點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)傳電臺每站點設(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，進行輪詢通信。各分站作業(yè)數(shù)據(jù)上報以及數(shù)采工作站的控制指令下行傳輸都通過無線方式完成。

1 設(shè)計思想

數(shù)據(jù)采集單元采用先進的ATmega128嵌入式單片機作為核心部件，利用RS-485通信接口與控制系統(tǒng)通信。測量站主要是將捕捉的現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號傳給微處理器，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、進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。見圖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)采集時序是當(dāng)CLK為高電平時轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，當(dāng)CLK為低電平時輸出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)要從A／D中讀取數(shù)據(jù)時，只要 保持低電平即可，當(dāng) 為高電平時D1-D8為高阻態(tài).見圖2.
1.2  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口電路設(shè)計與流程
FIFO芯片SN74ACT7808是2048字節(jié)×9位可以實現(xiàn)先進先出異步讀寫操作的雙端口存儲器.讀寫操作會自動訪問存儲器中連續(xù)的存儲單元。從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)順序與寫入的順序相同，地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)先定義好了。對FIFO的讀寫操作只由讀寫信號控制，不需要另外的地址信息。這使得FIFO的控制電路變得十分簡單：讀數(shù)據(jù)時只要OE保持為高電平同時使UNCK產(chǎn)生一個上升沿；寫數(shù)據(jù)只要LDCK產(chǎn)生一個上升沿即可.
由于是高速數(shù)據(jù)采集，單片機相對A／D來說速度遠遠不夠，所以需要設(shè)計一個電路讓數(shù)據(jù)采集與存儲自動完成，見圖2。單片機的PB0引腳通過與門與外部CLK時鐘相連，這樣單片機就可以控制A／D的采樣。當(dāng)PB0為高電平時進行采樣，當(dāng)PB0引腳為低電平時A／D的CLK沒有脈沖，采樣停止。當(dāng)FIFO保存的數(shù)據(jù)幾乎滿后給單片機一個中斷信號，單片機接到中斷信號后置PB0為低電平停止采樣，然后把數(shù)據(jù)從FIFO中讀出。因為單片機的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ATmega128與數(shù)傳電臺的串行通信
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器、SPI串行端口、異步串行口與JTAG測試接口(此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過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，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)送接收的字符長度為8位.
UBRR0H=0x00;
}
接收數(shù)據(jù)時,單片機設(shè)置一個標(biāo)志，假設(shè)接收到第一個“*”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，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)無效，直到再次收到“*”，標(biāo)志置1。標(biāo)志為1時，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)回給計算機。單片機通信流程圖見圖3。

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2.2   ATmega128與數(shù)傳電臺的硬件連接
數(shù)傳電臺與單片機、終端主控機的通信協(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。建議使用窄帶無線數(shù)傳電臺MDS SCADA，專門用于電力自動化中。此電臺采用工業(yè)級鑄鋁封裝，可提升電磁干擾,繞射能力強，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。利用單片機串口與數(shù)字電臺RS-485數(shù)據(jù)口相連,電臺常態(tài)為收狀態(tài)(PPT=0，收狀態(tài)；PPT=1，發(fā)狀態(tài))。單片機通過帶控制端的三態(tài)緩沖門74HC125、非門74HC14控制電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換。接收時，PC1=1，PC1經(jīng)74HC14反相、光電隔離,使電臺PPT腳為低電平,將其置為接收狀態(tài);發(fā)射時，PC1=0，經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺PPT腳為高電平，將其置為發(fā)射狀態(tài)；同時74HC125A截止,74HC125B導(dǎo)通,數(shù)據(jù)由單片機TXD腳輸出，經(jīng)74HC125B緩沖門、光電隔離、MAX232電平變換，通過電臺TXD端口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體硬件連接見圖4。

3  結(jié)束語
國家的農(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．但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對電力部門又提出了更高的要求．結(jié)合電網(wǎng)的實際情況，對于實時性、配電質(zhì)量要求教高的地區(qū)，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建成使用后，運行結(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)費用低、建設(shè)周期短、維護量小、抗災(zāi)能力強、無需查線檢修、數(shù)據(jù)易傳等優(yōu)點。由于在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用了ATmega128,其開發(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：1.本系統(tǒng)采用了多種先進技術(shù)，高性能單片機系統(tǒng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、計算機的遠程控制技術(shù)等。2.本系統(tǒng)具有自動化程度高、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。3.由于本系統(tǒng)和上位計算機系統(tǒng)可以方便地進行通訊和數(shù)據(jù)傳送，可以把檢測記錄的數(shù)據(jù)保存在計算機的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，有助于實現(xiàn)電力調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化。