基于AVR單片機的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)設(shè)計

馬洪波 周 悅

（1.沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省送變電工程公司，遼寧 沈陽 110021）

0 引言

智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展方向。隨著網(wǎng)絡(luò)電子產(chǎn)品等與電力系統(tǒng)的緊密融合，分布式電源、儲能裝置、智能電器等快速發(fā)展，以及云計算、大數(shù)據(jù)、移動終端等現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的全面升級已成必然。要順應(yīng)世界電網(wǎng)發(fā)展最新趨勢，推廣線路智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能調(diào)度控制系統(tǒng)、智能互動用電設(shè)備成為首要任務(wù)，因此需要建設(shè)貫穿各領(lǐng)域的高效信息傳輸?shù)募夹g(shù)，進而加快電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的智能升級改造，全面提高電網(wǎng)智能化水平。

1 本設(shè)計系統(tǒng)功能

本文基于AVR單片機的數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的功能，應(yīng)用兩級計算機系統(tǒng)完成，上位機應(yīng)用普通PC計算機，下位機采用單片機控制，下位機主要完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)傳輸給上位機的功能，上、下位機之間以串行數(shù)據(jù)傳輸方式進行通信。雙方共同遵守同一個通信協(xié)議。下位機接收到的上位機指令后將采集的數(shù)據(jù)處理后傳給上位機。上位機在軟件的支持下對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。

本系統(tǒng)分成三個模塊組成：模擬量采集模塊、開關(guān)量、LCD、LED本地顯示模塊，通過串行口傳輸給上位機模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中的5個模擬量用遙控盒上的5個電位器來模擬輸入。經(jīng)過芯片TLC2543進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸入到ATmega64L中的PD口。經(jīng)過AVR單片機處理后再經(jīng)PA口輸出到液晶顯示模塊（LCM1）進行本地顯示，經(jīng)PD2口和PD3口輸出到MAX232E的RXD和TXD進行RS-232的電平轉(zhuǎn)換，最后通過串行電纜送到上位機。

系統(tǒng)利用遙控盒上8個開關(guān)的開和關(guān)模擬數(shù)字量輸入的邏輯“1”或邏輯 “0”，經(jīng)過三態(tài)雙向總線隔離/驅(qū)動芯片74HC245，輸入到ATmega64L中的PE口。AVR單片機處理之后經(jīng)PA口輸出到8D鎖存器74HC573中，然后經(jīng)過驅(qū)動電路控制8個LED的亮或滅。同時單片機同樣經(jīng)PD2和PD3輸出到MAX232E的RXD和TXD進行RS-232的電平轉(zhuǎn)換，最后通過串行電纜送到上位機。

圖1 基于AVR單片機的數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)備選型

本設(shè)計采用ATmel公司的高性能低功耗的AVR單片機ATmega64L作為設(shè)備的核心控制器。根據(jù)圖1所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇外圍電路器件分別為：鎖存器74HC573、發(fā)光二極管LED、液晶顯示器LCD芯片MAX232E、芯片74HC245、串行傳輸口RS232等，進而達(dá)到本系統(tǒng)的設(shè)計功能。

3 RS-232通信接口標(biāo)準(zhǔn)

本次設(shè)計，需要用單片機執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，把采集結(jié)果通過單片機傳送到上位計算機中去，最后由計算機完成數(shù)據(jù)處理過程，以及人機界面顯示。這需要在單片機和計算機之間建立通信結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)可以在單片機和計算機之間進行有效而正確的信息傳輸。

RS-232通信接口是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實現(xiàn)計算機和計算機之間、計算機和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS-232串行接口總線適用于設(shè)備之間通信距離在15米以內(nèi)而且速度不高于20Kbps的場合中。

RS-232在電氣接口上采用負(fù)邏輯，即邏輯“1”為-5V～-15V，而邏輯：“0”則是+5V～+15V。

由于單片機采用的是 TTL電平，即邏輯“1”為+5V，邏輯“0”為0V，因此為了實現(xiàn)單片機和計算機之間的通信，必須進行RS-232和TTL接口之間的電平轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計中實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平轉(zhuǎn)換的芯片是MAX232E.MAX232E由+5V電源供電，主要由一個片內(nèi)電壓泵升電路、一個雙重發(fā)送電路和一個雙重接收電路組成。電壓泵升電路由兩個電荷泵組成，用以實現(xiàn)升壓和電壓極性的轉(zhuǎn)換[4]。

4 AVR內(nèi)部資源的C語言編程

本次設(shè)計所選擇的ATmega64L型號單片機是一款片內(nèi)資源豐富的單片機，它除了64KBFlash程序存儲器和4KB片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，53個可編程的I/O口外，還有全雙工異步串行通信接口USART，同步串行接口SPI和35個中斷源等。對片內(nèi)資源進行充分的開發(fā)和利用是設(shè)計ATmega64L單片機應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本設(shè)計采用C語言編程，因為C語言的可移植性最佳而成為首選。

5 軟件結(jié)設(shè)計

基于AVR單片機的數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上看主要包括主循環(huán)體程序、接收數(shù)據(jù)程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、中斷服務(wù)程序和其它控制程序。

5.1 主程序

主程序開始時進行定時器0，定時器1，定時器2，AD，DI，LCD，MCU等的初始化，初始化主要是設(shè)置定時器的中斷方式（如使設(shè)置定時器0溢出中斷，定時器1比較中斷，定時器2溢出中斷），外部中斷INT0，INT1中斷方式（INT0下降沿產(chǎn)生異步中斷請求，INT1上升沿產(chǎn)生異步中斷請求）；AD，DI處于可以接收模擬量和開關(guān)量的狀態(tài)。然后程序進入循環(huán)狀態(tài)，首先判斷串口接收標(biāo)志是否為1，如果是1且上位機處于使能發(fā)送狀態(tài)則接收數(shù)據(jù)同時LCD顯示遙控狀態(tài)，如果上述條件不符合則跳入下一個判斷即外部中斷INT0控制的AD采樣判斷，首先判斷中斷標(biāo)志是否為1，如果為1，則取樣求平均值，在LCD上顯示模擬量號（通道0，顯示第1，2路模擬量，通道1顯示第3，4路模擬量，通道2顯示第5，6路模擬量）。如果中斷標(biāo)志不為1，則跳入下一個判斷開關(guān)量DI采樣標(biāo)志是否為1，如果為1，則檢驗DI口輸入量是否有變化，如果有變化則保存數(shù)據(jù)，并置相應(yīng)的指示燈亮，如果輸入量無變化則檢驗上次開關(guān)量是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。如果未發(fā)送完畢或DI采樣標(biāo)志不為1則跳入下一次判斷即外部中斷INT1控制的按鍵中斷，如果按鍵標(biāo)志為1，則鍵值為1通道號加1，顯示下兩路模擬量，如果鍵值為2，則通道號減1，顯示前兩路模擬量；再將按鍵標(biāo)志置為0此時結(jié)束程序進入下一次循環(huán)判斷，如果按鍵標(biāo)志為0直接結(jié)束程序進入下一次循環(huán)判斷。

5.2 中斷程序

定時器0中斷服務(wù)程序

定時器0中斷主要完成模擬量的數(shù)據(jù)采集與平均值計算。具體為：定時器0中斷時間為20毫秒，用于AD采樣計時；當(dāng)AD采樣次數(shù)滿15次后判斷采樣結(jié)束標(biāo)志，如果采樣結(jié)束則計算平均值然后在LCD上進行顯示后，產(chǎn)生AD中斷，最后中斷返回。

定時器1中斷服務(wù)程序：定時器1主要完成掃描開關(guān)量輸入狀態(tài)，具體為：中斷時間為250毫秒，如果有開關(guān)量輸入，則置開關(guān)量輸入標(biāo)志為1，然后中斷返回。

定時器2中斷服務(wù)程序：定時器2中斷服務(wù)程序主要完成按鍵處理，用于按鍵的去抖延時控制。串行發(fā)送中斷服務(wù)程序：串行中斷服務(wù)程序主要完成向上位機傳輸數(shù)據(jù)的功能。

串行接收中斷服務(wù)程序：串行接收中斷服務(wù)程序主要完成接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)的功能。

中斷0服務(wù)程序：中斷0主要完成模擬量的采集。當(dāng)6路模擬量采集完畢后，關(guān)中斷，再將采集到的模擬量送入模擬量緩沖區(qū)，然后中斷返回。

中斷1服務(wù)程序：中斷1主要完成按鍵處理，主要完成去抖延時的功能。

6 結(jié)束語

ATmega64L是片內(nèi)資源非常豐富的單片機，對單片機片內(nèi)資源進行充分的開發(fā)和利用。是設(shè)計ATmega64L應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵。在基于AVR單片機的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法中，采用模塊化設(shè)計，以AVR單片機為控制核心，通過軟件編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。運行結(jié)果顯示，該數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)操作簡單方便、運行正常、成本低廉，上位機與下位機通信均達(dá)到系統(tǒng)性能要求。

［1］馬建明.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005，9.

［2］余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術(shù)[M].西安：電子科技大學(xué)出版社，1994，6.

［3］ATmel公司.具有64KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位微控制器 ATmega64、ATmega64L（初稿）[S].2490G－AVR－03/04.

［4］譚浩強.C 程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999，7.

［5］求是科技.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2005，1.

［6］李長林.AVR單片機應(yīng)用設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，5.