基于AVR單片機的電力系統數據采集與通信系統設計

馬洪波 周 悅

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

0 引言

智能化是電力系統發展方向。隨著網絡電子產品等與電力系統的緊密融合，分布式電源、儲能裝置、智能電器等快速發展，以及云計算、大數據、移動終端等現代信息技術的廣泛應用，傳統電網向智能電網的全面升級已成必然。要順應世界電網發展最新趨勢，推廣線路智能監控系統、智能調度控制系統、智能互動用電設備成為首要任務，因此需要建設貫穿各領域的高效信息傳輸的技術，進而加快電網各環節的智能升級改造，全面提高電網智能化水平。

1 本設計系統功能

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

本系統分成三個模塊組成：模擬量采集模塊、開關量、LCD、LED本地顯示模塊，通過串行口傳輸給上位機模塊。系統結構圖如圖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。經過芯片TLC2543進行模數轉換，然后輸入到ATmega64L中的PD口。經過AVR單片機處理后再經PA口輸出到液晶顯示模塊（LCM1）進行本地顯示，經PD2口和PD3口輸出到MAX232E的RXD和TXD進行RS-232的電平轉換，最后通過串行電纜送到上位機。

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

圖1 基于AVR單片機的數據采集與通信系統結構圖

2 設備選型

本設計采用ATmel公司的高性能低功耗的AVR單片機ATmega64L作為設備的核心控制器。根據圖1所設計的系統結構，選擇外圍電路器件分別為：鎖存器74HC573、發光二極管LED、液晶顯示器LCD芯片MAX232E、芯片74HC245、串行傳輸口RS232等，進而達到本系統的設計功能。

3 RS-232通信接口標準

本次設計，需要用單片機執行數據采集的任務，把采集結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據處理過程，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構。此結構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協會（EIA）正式公布的串行通信接口標準，用來實現計算機和計算機之間、計算機和外設之間的數據傳輸。RS-232串行接口總線適用于設備之間通信距離在15米以內而且速度不高于20Kbps的場合中。

RS-232在電氣接口上采用負邏輯，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接口之間的電平轉換。

本設計中實現TTL電平和RS-232電平轉換的芯片是MAX232E.MAX232E由+5V電源供電，主要由一個片內電壓泵升電路、一個雙重發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，用以實現升壓和電壓極性的轉換[4]。

4 AVR內部資源的C語言編程

本次設計所選擇的ATmega64L型號單片機是一款片內資源豐富的單片機，它除了64KBFlash程序存儲器和4KB片內SRAM數據存儲器，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。對片內資源進行充分的開發和利用是設計ATmega64L單片機應用系統的關鍵。

本設計采用C語言編程，因為C語言的可移植性最佳而成為首選。

5 軟件結設計

基于AVR單片機的數據采集和通信系統控制軟件采用模塊化設計。從結構上看主要包括主循環體程序、接收數據程序、發送數據程序、中斷服務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，初始化主要是設置定時器的中斷方式（如使設置定時器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下降沿產生異步中斷請求，INT1上升沿產生異步中斷請求）；AD，DI處于可以接收模擬量和開關量的狀態。然后程序進入循環狀態，首先判斷串口接收標志是否為1，如果是1且上位機處于使能發送狀態則接收數據同時LCD顯示遙控狀態，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）。如果中斷標志不為1，則跳入下一個判斷開關量DI采樣標志是否為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據，并置相應的指示燈亮，如果輸入量無變化則檢驗上次開關量是否發送完畢，如果發送完畢，則發送下一個數據包。如果未發送完畢或DI采樣標志不為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；再將按鍵標志置為0此時結束程序進入下一次循環判斷，如果按鍵標志為0直接結束程序進入下一次循環判斷。

5.2 中斷程序

定時器0中斷服務程序

定時器0中斷主要完成模擬量的數據采集與平均值計算。具體為：定時器0中斷時間為20毫秒，用于AD采樣計時；當AD采樣次數滿15次后判斷采樣結束標志，如果采樣結束則計算平均值然后在LCD上進行顯示后，產生AD中斷，最后中斷返回。

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

定時器2中斷服務程序：定時器2中斷服務程序主要完成按鍵處理，用于按鍵的去抖延時控制。串行發送中斷服務程序：串行中斷服務程序主要完成向上位機傳輸數據的功能。

串行接收中斷服務程序：串行接收中斷服務程序主要完成接收上位機發送的數據的功能。

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

中斷1服務程序：中斷1主要完成按鍵處理，主要完成去抖延時的功能。

6 結束語

ATmega64L是片內資源非常豐富的單片機，對單片機片內資源進行充分的開發和利用。是設計ATmega64L應用系統的關鍵。在基于AVR單片機的電力系統數據采集與通信系統的軟件設計方法中，采用模塊化設計，以AVR單片機為控制核心，通過軟件編程來實現系統功能。運行結果顯示，該數據采集與通信系統操作簡單方便、運行正常、成本低廉，上位機與下位機通信均達到系統性能要求。

［1］馬建明.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2005，9.

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

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

［4］譚浩強.C 程序設計[M].北京：清華大學出版社，1999，7.

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

［6］李長林.AVR單片機應用設計[M].北京：電子工業出版社，2005，5.