采用ATmega128的無線數據采集設計

電力日益市場化的環境下，電力公司必須提高服務質量以保持競爭力。當前我國的一些地區，配網自動化程度低，人員工作效率低。根據這種需求，設計了無線數傳系統.整個無線數據通信系統是基于RS-485串口通信的一點對多點網絡結構。數傳電臺每站點設一部，分別連接主站的數據采集工作站和分站的RTU/FTU等，進行輪詢通信。各分站作業數據上報以及數采工作站的控制指令下行傳輸都通過無線方式完成。

1 設計思想

數據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通信。測量站主要是將捕捉的現場信號經轉換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數字信號傳給微處理器，接收遙控指令并發送數據;主控站的主要工作是發送遙控指令、接收數據信息、進行數據處理和數據管理。整個系統結構簡單，可靠性高。見圖1。
1.1?? 高速的模數轉換芯片TLC5510
該系統的A/D轉換采用TLC5510模數轉換芯片。TLC5510模數轉換芯片是TI公司的8位A／D轉換器，是一款高速、低功耗且內部帶有采樣保持電路。它的數據采集時序是當CLK為高電平時轉換數據，當CLK為低電平時輸出有效數據。當要從A／D中讀取數據時，只要 保持低電平即可，當 為高電平時D1-D8為高阻態.見圖2.
1.2? 數據采集系統的接口電路設計與流程
FIFO芯片SN74ACT7808是2048字節×9位可以實現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的存儲單元。從FIFO中讀出的數據順序與寫入的順序相同，地址的順序在內部已經預先定義好了。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：讀數據時只要OE保持為高電平同時使UNCK產生一個上升沿；寫數據只要LDCK產生一個上升沿即可.
由于是高速數據采集，單片機相對A／D來說速度遠遠不夠，所以需要設計一個電路讓數據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PB0為高電平時進行采樣，當PB0引腳為低電平時A／D的CLK沒有脈沖，采樣停止。當FIFO保存的數據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，然后把數據從FIFO中讀出。因為單片機的PG0引腳經反向器后接到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。數據處理完畢后再接著采樣，如此反復，完成周期性采樣[2]。

2?嵌入式單片機ATmega128與數傳電臺的串行通信
ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統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,發送接收方式:一位起始位，8位數據位，奇校驗，1位停止位。UARTO初始化可以在ICC AVR中設置完成，而且Builder自動生成中斷服務子程序和人口地址，只需在服務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，發送數據允許.
UCSR0C=0x06;??? //發送接收的字符長度為8位.
UBRR0H=0x00;
}
接收數據時,單片機設置一個標志，假設接收到第一個“*”字符，標志置1，認為通信正常，可以接收數據。接收數據時，判斷是否收到接收完成消息；是,則清除標志，使得下次收到的數據無效，直到再次收到“*”，標志置1。標志為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據保存到接收緩沖區中。執行操作后，最后將接收到的字符發回給計算機。單片機通信流程圖見圖3。

2.2?? ATmega128與數傳電臺的硬件連接
數傳電臺與單片機、終端主控機的通信協議:標準串行RS485接口,通信幀格式——1位起始位，8位數據位，1位可編程數據位，1位停止位，波特率9600bps。建議使用窄帶無線數傳電臺MDS SCADA，專門用于電力自動化中。此電臺采用工業級鑄鋁封裝，可提升電磁干擾,繞射能力強，提供標準的RS-485接口，系統響應快。
系統采用異步串行通信方式。利用單片機串口與數字電臺RS-485數據口相連,電臺常態為收狀態(PPT=0，收狀態；PPT=1，發狀態)。單片機通過帶控制端的三態緩沖門74HC125、非門74HC14控制電臺的收發轉換。接收時，PC1=1，PC1經74HC14反相、光電隔離,使電臺PPT腳為低電平,將其置為接收狀態;發射時，PC1=0，經74HC14反相、光電隔離，使電臺PPT腳為高電平，將其置為發射狀態；同時74HC125A截止,74HC125B導通,數據由單片機TXD腳輸出，經74HC125B緩沖門、光電隔離、MAX232電平變換，通過電臺TXD端口將數據發送出去。具體硬件連接見圖4。

3? 結束語
國家的農網改造，使配電網絡的供電能力得到了很大的提高．但隨著社會經濟的發展，對電力部門又提出了更高的要求．結合電網的實際情況，對于實時性、配電質量要求教高的地區，無線數據傳輸系統建成使用后，運行結果表明：系統工作穩定可靠，本系統與有線網相比，具有建網費用低、建設周期短、維護量小、抗災能力強、無需查線檢修、數據易傳等優點。由于在該數據采集系統中采用了ATmega128,其開發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用于工業控制領域，有著廣闊的前景。
4? 本文作者創新點：1.本系統采用了多種先進技術，高性能單片機系統技術、無線傳輸技術、計算機的遠程控制技術等。2.本系統具有自動化程度高、系統可靠性和穩定性好、數據采集精度高等比較突出的優點。3.由于本系統和上位計算機系統可以方便地進行通訊和數據傳送，可以把檢測記錄的數據保存在計算機的數據庫內，有助于實現電力調度的網絡化、數字化和信息化。