基于ATmega128的32路遥脉单元设计及应用

1图1电路结构数据锁存通讯1通讯2复数据总线位CPU发送A接收A发送B接收B光耦485Ⅰ485Ⅱ隔离光耦隔离1VddGND28开关电源Vcc5VVddGND2电源供电结构2地址总线+12V+12V657输入状态缓冲实时时钟RTC后备电池输入输出口3数据锁存数据锁存后备电源管理看门狗电能数据存储后备电池系统供电DATABUS拨码开关输入光耦隔离32路信号指示8路信号输入选通控制4共4路光耦隔离8路信号输入基于ATmega128的32路遥脉单元设计及应用1于宏业2任景瑞3李海全（1长春黄金设计院，吉林长春1300123．江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏江阴214405）摘要：介绍一款基于8位单片机ATmega128为主控芯片，具有接收32路脉冲信号输入的ARTU-P32型遥脉单元设计原理，以及该产品主要技术指标与应用案例。关键字：ATmega128芯片；遥脉单元；ARTU-P32型0引言随着国家机关大楼、大型公共建筑能耗计量考核规范的推出，主要电气干线加装电能计量装置已成为设计、审图和竣工验收的内容之一，有条件的省市还要建立能耗监测系统。但已建楼宇主要电气干线上一般安装的往往是壁挂式机械电能表，不带RS485通讯接口，拆除重装智能表既造成浪费，又增加成本。本文介绍一款具有32路遥脉接点输入的ARTU-P32，该装置可接受32路有源或无源电能脉冲信号，把各路脉冲分别进行累加计数，再经通讯实现和上位机监控系统的数据交换，既不浪费原有电表，又实现电能集中抄表，减少人工抄表成本，提高管理效率。1电路设计原理ARTU-P32遥脉单元硬件电路包括，主CPU芯片、拨码开关设定输入、实时时钟、双路RS485通讯、脉冲计数存储、电源管理及看门狗控制、光电隔离输入采集、供电电源模块等8部分组成。（见图1）1.1主控CPU32路开关量信号采集单元（ARTU-P32）设计采用ATMEL公司的ATmega128,单芯片实现双路RS485通讯、数据处理、脉冲记录存取，显示状态控制等。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC结构高速低功耗单片机，在16M时钟频率时系统性能可达16MIPS，内带128k的Flash、4k的EEPROM、4k系统SRAM；可扩展64k外部存储器；两路UART通讯口。同时该芯片拥有JTAG在线编程口，方便用户调试，降低了开发成本，53个可编程I/O口可以挂接足够多的外围设备。1.2拨码开关设定输入拨码开关提供用户一个简化的人机接口，用于设定RS485通讯中的地址、波特率、数据格式等设G1A12Y118A24Y216A36Y314A48Y412IC5A74HC244D0D1D2D312348765RB110KG19A111Y19A213Y27A315Y35A417Y43IC5B74HC244Y7D4D5D6D712348765RB210KVCC1234567892019181716151413121011SW1SWDIP-10D8D912348765RB310K图2拨码开关设定输入电路2图3双路RS485通讯电路VCC3Vbat1PFI9WDI11OSIN7OSSEL8WDO14GND4Vout2CEOUT12CEIN13RST15RST16BATON5LOWL6PFO10IC8MAX691CWEC5120PFR510MR410MR3510RD1LL4148C410uF/50VBAT3.6VVBATPD41.53S600/47*120msRST123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jan-2009SheetofFile:E:\cl-des\论文\ARTU-K(P)32.DDBDrawnBy:G1A12Y118A24Y216A36Y314A48Y412IC9A74HC24412348765RB12KVCCD0D1D2D3S1_INS2_INS3_INS4_INC133nFC233nFC333nFIC1TLP521-2IC2TLP521-2R11.5kR21.5kR31.5kR41.5kCOMCOMC333nFCOMCOMY1定功能，拨码开关（SW1）的10位数据口都接10k电阻上拉到Vcc，电路使用一个74HC244（IC5）数据缓冲器，把拨码开关的状态传送到8位数据总线，剩余两根数据线则直接接到CPU的I/O端口。（见图2）1.3实时时钟实时时钟芯片RX-8025A（IC4）提供给系统当前时间数据，该芯片拥有400kHz串行IIC总线接口，其内置的32.768kHz石英振荡器，提供宽温、高稳定性的实时时间数据。1.4通讯方式通讯方式采用双路RS485方式，调试及设定和上位机通讯部分在物理上分成两路，互不干扰，有效防止可能存在的误操作。（见图3）1.5脉冲计数存储脉冲计数存储器使用32k低功耗SRAM（IC3）IC61C256AH和后备电源形成一个断电不丢失的数据存储单元，使用数据锁存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口组成15位数据地址对IC3进行数据存储操作。（见图4）1.6看门狗控制掉电自动保存部分使用MAX691CWE（IC8）作为电源管理，在系统有辅助供电的情况下保证IC3由主电源Vcc供电，当主电源掉电时则自动切换到后备电池供电方式。同时此芯片还兼有看门狗功能，在系统死机的极端情况下及时复位CPU，使系统快速恢复至受控状态。（见图5）1.7光电隔离的输入信号状态采集外部开关信号采集使用光耦（IC1，IC2只画出其中四路）作电器隔离，光耦输出端使用一个数据缓冲器74HC244（IC9）对光耦输出信号进行缓冲后传送到CPU的数据总线供CPU读取。（见图6）1.8电源部分电源模块采用PI公司的开关电源芯片，输入范围为AC/DC80-270V，电源共有3路输出，分别给CPU，12V电源输出、通讯等部分电路提供电源。2软件设计软件流程见图73产品特点+5VR112R30GD2VDDR31GD2R32R33U18231U19231GD2VDDVDDGD2B2A2+5VR34RXDR35TXDU20RO1RE2DE3DI4VCC8B7A+6GND5VCCU21123456VCCM601123456Q3312VDDVDDR36R37GD2(AD0)PA051(AD1)PA150(AD2)PA249(AD3)PA348(AD4)PA447(AD5)PA546(AD6)PA645(AD7)PA744(ALE)PG243(A8)PC035(A9)PC136(A10)PC237(A11)PC338(A12)PC439(A13)PC540(A14)PC641(A15)PC742(RD)PG134(WR)PG033PF0(ADC0)61PF1(ADC1)60PF2(ADC2)59PF3(ADC3)58PF4(ADC4/TCK)57PF5(ADC5/TMS)56PF6(ADC6/TDO)55PF7(ADC7/TDI)54AREF62AGND63AVCC64PE0(PDI/RXD0)2PE1(PDO/TXD0)3PE2(AC+/XCK0)4PE3(AC-/OC3A)5PE4(INT4/OC3B)6PE5(INT5/OC3C)7PE6(INT6/T3)8PE7(INT7/IC3)9PB0(SS)10PB1(SCK)11PB2(MOSI)12PB3(MISO)13PB4(OC0)14PB5(OC1A)15PB6(OC1B)16PB7(OC2/OC1C)17(INT0/SCL)PDO25(INT1/SDA)PD126(INT2/RXD1)PD227(INT3/TXD1)PD328(IC1)PD429(XCK1)PD530(T1)PD631(T2)PD732XTAL223XTAL124GND53GND22VCC21VCC52PEN1RESET20PG4(TOSC1)19PG3(TOSC2)18IC1ATMEGA128L-8AI1D32D43D74D85D136D147D178D181Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19C11OE1IC274HCT373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A141OE22WE27CS20D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28IC3IC61C256AHD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A8A9A10A11A12A13A14RDWRVBATD0D1D2D3D4D5D6D7图4脉冲计数存储电路图5看门狗电路图6信号状态采集电路3图7软件流程图图8a图8b图8a图8bARTU-P32采用DIN35mm导轨安装。前端带通信指示和信号运行通道指示2组指示灯，32个通道扫描一周仅需时间为1ms，每个输入通道可以最大计数到4294967296，同时带GPS校时功能,可实现电能计数的冻结、解冻等功能，在外部电源掉电后可以保证脉冲数据记录一个月内不丢失。通信有两路RS485接口，一路用于通用参数的设置及调试，另一路用于和上位机通讯。产品顶端设有拨码开关窗口，可通过拨码开关设置产品通讯地址和波特率。产品符合JB/T10388-2002《带总线通信功能的智能测控节点产品通用技术条件》、GB/T7261-2000《继电器及装置基本试验方法》和GB/T13729-2002《远动终端设备》标准。4技术指标产品主要技术指标详见表1表1项目指标输入回路/方式32路有源湿接点或无源干接点总线方式二线制半双工RS485，ModBus—RTU协议总线容量≤32脉冲宽度≥10ms累积脉冲数（MAX）4294967296（四字节）外壳防护等级IP20电源DC24V或AC/DC200V电源功耗＜５Ｗ5应用案例以计量32个电气干线电能为例，电能表为DTM862-2型，一次方案见图8(a)，电能脉冲采集二次见图8(b)。使用传统的机械式电能表附带脉冲接口，利用智能化的脉冲接收装置实现远程集中式抄表功能。46结束语ARTU-P32遥脉单元于2007年12月在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心测试，符合相关要求。该产品已在某油田供水供电公司、苏州某税务大厦、内蒙某煤矿等工程配电监控系统中得到应用，降低了投资成本，产生了较好的社会和经济效益。参考文献：[1]上海安科瑞电气有限公司.ARTU四遥单元安装使用说明书,200807版.[2]任致远，周中.电力电测数字仪表原理与应用指南,中国电力出版社，2007.作者简介：于宏业（1959-），男，高级工程师，研究方向矿山电力设计。任景瑞（-），男，高级工程师，研究方式李海全（1980-），男，工程师，研究领域为工控产品的设计和开发。电话：[phone]EMAIL：[e-mail]