ATmega128在無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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在工業(yè)控制現(xiàn)場，常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、濕度、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)處理的結(jié)果，將控制信號(hào)傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。目前數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡(luò)，如RS485,CAN等。這些有線的網(wǎng)絡(luò)一般具有成本比較高、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。而無線傳輸相對(duì)具有一定的優(yōu)勢，如成本低、可靠性高、維護(hù)方便等。根據(jù)這種需求，設(shè)計(jì)了無線數(shù)傳系統(tǒng)。整個(gè)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是基于RS-485串口通信的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)傳電臺(tái)每站點(diǎn)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(jìn)行輪詢通信。各分站作業(yè)數(shù)據(jù)上報(bào)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(jì)思想

數(shù)據(jù)采集單元采用先進(jìn)的ATmega128嵌入式單片機(jī)作為部件，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(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理。整個(gè)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

TLC5510是美國TI公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADC），它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的采樣率為20MSPS.由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW.由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉(zhuǎn)換功能，而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路，從而大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于其內(nèi)部帶有了標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，因而可以從+5V的電源獲得2V滿刻度的基準(zhǔn)電壓。TLC5510可應(yīng)用于數(shù)字TV.醫(yī)學(xué)圖像。視頻會(huì)議。高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及QAM解調(diào)器等方面。見圖2.

1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口電路設(shè)計(jì)與流程

FIFO芯片SN74ACT7808是2048字節(jié)×9位可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出異步讀寫操作的雙端口存儲(chǔ)器。讀寫操作會(huì)自動(dòng)訪問存儲(chǔ)器中連續(xù)的存儲(chǔ)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(duì)FIFO的讀寫操作只由讀寫信號(hào)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(shí)只要OE保持為高電平同時(shí)使UNCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿；寫數(shù)據(jù)只要LDCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿即可。

FIFO是英文FirstInFirstOut的縮寫，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，他與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別是沒有外部讀寫地址線，這樣使用起來非常簡單，但缺點(diǎn)就是只能順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，順序的讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動(dòng)加1完成，不能像普通存儲(chǔ)器那樣可以由地址線決定讀取或?qū)懭肽硞€(gè)指定的地址。

由于是高速數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)相對(duì)A/D來說速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路讓數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)自動(dòng)完成，見圖2.單片機(jī)的PB0引腳通過與門與外部CLK時(shí)鐘相連，這樣單片機(jī)就可以控制A/D的采樣。當(dāng)PB0為高電平時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)PB0引腳為低電平時(shí)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(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)接到中斷信號(hào)后置PB0為低電平停止采樣，然后把數(shù)據(jù)從FIFO中讀出。因?yàn)閱纹瑱C(jī)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嵌入式單片機(jī)ATmega128與數(shù)傳電臺(tái)的串行通信

ATmega128為基于AVRRISC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(dá)1MIPS/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(shí)器、SPI串行端口、異步串行口與JTAG測試接口（此接口同時(shí)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。

ATmega128是AVR系列中功能強(qiáng)的單片機(jī)，具有如下主要特點(diǎn)：（1）先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)：ATmega128具有133條功能強(qiáng)大的指令，大部分指令在單時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行；有32b×8個(gè)通用工作寄存器；片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。（2）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：ATmega128具有128KB在線可重復(fù)編程Flash、4KB的E2PROM以及4KB內(nèi)部SRAM.在其BOOT區(qū)具有獨(dú)立的加密位，可通過片內(nèi)的引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程，寫操作時(shí)真正可讀。（3）具有JTAG接口：通過JTAG接口對(duì)Flash、E2PROM熔絲位和加密位編程。

2.1ATmega128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(yàn)，1位停止位。UARTO初始化可以在ICCAVR中設(shè)置完成，而且Builder自動(dòng)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。

//UARTOinitialisation

//desiredbaudrate:9600

//charsize:8bit

//parity:Disabled

voiduart0_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(shí)，單片機(jī)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，假設(shè)接收到個(gè)"*"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(shí)，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(shí)，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，將接收到的字符發(fā)回給計(jì)算機(jī)。單片機(jī)通信流程圖見圖3.

2.2ATmega128與數(shù)傳電臺(tái)的硬件連接

數(shù)傳電臺(tái)與單片機(jī)、終端主控機(jī)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(tái)MDSSCADA,專門用于電力自動(dòng)化中。此電臺(tái)采用工業(yè)級(jí)鑄鋁封裝，可提升電磁干擾，繞射能力強(qiáng)，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(jī)串口與數(shù)字電臺(tái)RS-485數(shù)據(jù)口相連，電臺(tái)常態(tài)為收狀態(tài)（PPT=0,收狀態(tài)；PPT=1,發(fā)狀態(tài)）。單片機(jī)通過帶控制端的三態(tài)緩沖門74HC125、非門74HC14控制電臺(tái)的收發(fā)轉(zhuǎn)換。接收時(shí)，PC1=1,PC1經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺(tái)PPT腳為低電平，將其置為接收狀態(tài)；發(fā)射時(shí)，PC1=0,經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺(tái)PPT腳為高電平，將其置為發(fā)射狀態(tài)；同時(shí)74HC125A截止，74HC125B導(dǎo)通，數(shù)據(jù)由單片機(jī)TXD腳輸出，經(jīng)74HC125B緩沖門、光電隔離、MAX232電平變換，通過電臺(tái)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電力部門又提出了更高的要求。結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)于實(shí)時(shí)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(yùn)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(fèi)用低、建設(shè)周期短、維護(hù)量小、抗災(zāi)能力強(qiáng)、無需查線檢修、數(shù)據(jù)易傳等優(yōu)點(diǎn)。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。

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