基于ATmega128的32路遥脉单元设计及应用

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)

图1　电路结构

1.1  主控CPU
　　32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)

图2　拨码开关设定输入电路

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32.768 kHz 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)

图3　双路RS485通讯电路

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)

图4　脉冲计数存储电路

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)

图5　看门狗电路

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)

图6　信号状态采集 

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/DC 80-270V，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7

图7　软件流程图

3　 产品特点
　　ARTU-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

5　 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。

图8

6　 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。

　　文章来源于：《低压电器》2009年第18期。

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,2008.07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.