基于AVR單片機的自動安規測控網絡設計

崔連濤,董 雷

(青島職業技術學院海爾學院,山東 青島 266555)

基于AVR單片機的自動安規測控網絡設計

崔連濤,董 雷

(青島職業技術學院海爾學院,山東 青島 266555)

針對目前空調外機安規測試人工操作模式效率低、測試不穩定、測試數據不能保存、難以滿足智能制造的需求等問題，調查了現有空調外機生產線體結構、安規測試工藝及測試流程，研究了空調外機安規測試，設計了安規測試電路。以ATmega128和ATmega16為核心控制器件，分別設計了主站和從站，并構建了主從式模塊化測控網絡硬件系統；開發了基于RS-485的主從網絡通信協議，主站控制安規測試儀器進行測試和采集數據，測試數據經無線傳輸系統輸入企業生產管理平臺。上述模塊構成了自動安規測量及控制網絡系統，并具備抗干擾能力。自動安規測控網絡能夠嵌入到空調外機現有生產線體，適用于不同空調機型的安規測試。生產實踐運行表明，自動安規測控網絡設計符合空調外機安規測試生產和工藝要求，為樣機的設計應用及其他電氣產品的安規檢測自動化研究奠定了基礎。

空調外機； 自動化； 測控網絡；安規檢測； 嵌入式； 模塊化； RS-485； AVR單片機；無線通信

0 引言

隨著工業4.0時代的到來，智能工廠和智能生產已成為各國制造業的發展目標[1]，我國的家電生產領域也隨之進行生產智能化的升級改造?？照{機制造是家電領域的支柱產業，而安規測試是國際上對電氣和電子產品，特別是家用電器生產的強制性要求。現有的安規測試國際標準有美國保險商實驗室(UL)、德國電氣工程師協會(VDE)、國際電工委員會(IEC)等，而我國有“3C”認證。電氣產品必須經過相應標準的安規測試且結果合格才允許出廠銷售[2]。

目前，國內家用空調室外機的安規測試生產工藝以人工操作安規測試儀器進行檢測為主，測試參數包括絕緣電阻、絕緣耐壓、接地電阻和泄漏電流[3-4]。人工操作模式下，生產效率和安規測試質量不穩定，測試數據不能保存，難以滿足智能生產的需求[5]。因此，研制一種基于總線技術的嵌入式智能控制網絡進行實時有效的安規測試和數據采集，對實現智能工廠和智能化生產具有十分重要的意義[6-7]。

1 安規測試控制網絡硬件設計

1.1 硬件系統整體設計

結合現有空調外機生產線技術，依據生產工藝標準及其要求，研究了適應現有空調外機生產線和生產工藝，能夠直接裝配在生產線上，并適用于不同類型的生產線體及不同空調機型的自動安規檢測工藝。自動安規測試網絡硬件設計要求能夠直接裝配在現有生產線上，并具有嵌入式特點和自動進行安規測試的功能。

為提高網絡通信控制的可靠性和穩定性，兼顧投入成本的經濟性，技術方案以AVR單片機為主要控制器件，以RS-485為物理層技術標準，構建拓撲結構為總線式的分散控制型單片機網絡；將其作為控制系統的硬件，并在此基礎上進行軟件和程序設計[8]。

空調外機安規測控網絡硬件系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統結構框圖

1.2 主站硬件系統設計

依據設計方案，安規測控網絡主站控制器的硬件通信資源需求主要有:①主站與從站之間的數據通信，需用一個USART串口；②主站與兩臺安規測試儀器之間數據通信，需用兩個USART串口；③需用獨立的一路數據通信端口將安規測試的結果數據無線傳輸至生產管理系統。因此，網絡主站選用的單片機應具有功能強、控制靈活性高、微型化等特點，使用方便，有利于通信系統的開發應用。經綜合分析比較，選用具有雙串口的AVR的MEGA系列ATmega128單片機作為主控制器設計主站。ATmega128為AVR RISC結構的8 b低功耗CMOS微處理器，與其他類型同規格的單片機相比，其在同頻率下具有較高的數據處理能力和豐富的片上硬件資源[9]。

安規測控網絡主站硬件系統結構框圖如圖2所示。

圖2 主站硬件系統結構框圖

1.3 從站硬件系統設計

安規測控網絡系統從站的主要任務有：①接收主站的指令，對本站工位的產品設備按照安規測試工藝要求進行檢測；②顯示測試數據，依據測試數據接通結果指示燈；③根據測試結果是否合格，執行功能測試工藝。

綜合從站的控制功能需求和從站128×64的點陣液晶顯示功能，為簡化硬件電路設計，本設計選用高性能、低功耗、絕大多數指令執行為單時鐘周期、具有16 KB程序存儲器的AVR單片機MEGA系列ATmega16，作為主控制器設計從站硬件系統[10]。安規測控網絡從站硬件系統結構框圖如圖3所示。

圖3 從站硬件系統結構框圖

1.4 主站硬件系統的串口設計

ATmega128的串口硬件資源包括兩個USART、面向字節的兩線接口TWI和SPI串行端口。按照空調外機安規測試工藝標準要求，四項電氣參數必須全部檢測合格才能認定整機安規測試合格。因此，安規測試系統選用具有RS-232串行接口的7623和7440各一臺。其中：7623測試泄漏參數；7440測試絕緣電阻、接地電阻和絕緣耐壓三個參數。7623和7440的通信接口標準均為RS-232，所以檢測儀器需要兩個串行口進行通信。本系統方案設計主站與從站通信采用ATmega128的USART1串行口；主站與7623和7440通信采用USART0串行口，即以分時復用USART0串行口的方式使用同一個物理通道進行數據通信。無線數據傳輸器件選用兩線串行數據通信口TWI與ATmega128連接。自動測控網絡主站硬件系統的串口通信連接線路結構如圖4所示。

圖4 自動測控網絡主站通信結構框圖

2 安規測控網絡的軟件設計

經空調外機生產線現場調研，結合安規測試工藝要求，以及緊前生產組裝工藝和緊后功能測試工藝要求，在不影響生產效率的前提下，設計安規測試工作流程及程序控制算法，經優化后設計軟件和程序代碼。

2.1 主站軟件設計

主站軟件運行與安規測試操作控制流程如下。

①主站上電執行初始化程序。

②主站輪詢各從站是否有安規測試請求。

③若主站收到子機發出的安規測試請求，則把該從站的站號按順序排入待測試隊列，然后繼續輪詢其后的從站，直至完成對所有從站的輪詢。

④主站調取內存中待測試隊列的首位從站站號并向該從站發出執行測試命令，等待從站確認應答。

⑤主站收到該從站應答后啟動7623，按照內存中待測試隊列的首位從站站號調取檢測參數并進行安規測試。主站在等待過程中執行步驟②直至7623測試結束，然后讀取測試結果數據。

⑥主站切換測試通道至7440，按照內存中待檢測隊列的首位從站站號調取檢測參數并進行安規測試；等待7440安規測試過程中，執行步驟②直至7440測試結束，然后讀取7440的測試結果。

⑦主站把7623和7440的測試結果處理后發給相應從站。

⑧主站內存中待測試隊列整體前進一步，原隊列首位站號被覆蓋，然后循環執行步驟②至步驟⑧。

2.2 從站軟件設計

從站軟件運行與安規測試操作控制流程如下。

①從站系統上電執行初始化程序。

②讀取外部按鍵，判讀是否有測試指令輸入。

③若有測試指令輸入，綠燈閃爍1 s，等待主站輪詢到本站后并發測試請求指令給主站。

④等待主站的執行測試指令，收到執行測試指令后點亮黃燈，吸合接觸器和高壓繼電器。

⑤等待主站測試結束，接收主站發回的測試結果數據，熄滅黃燈。

⑥對安規測試結果進行分析并顯示。

⑦若安檢結果為合格，點亮綠燈，同時發出啟動功能測試指令；若不合格則點亮紅燈，提示安規測試結果不合格，并取消功能測試。

3 測控網絡通信系統開發

為提高安規測控網絡系統的實時控制性能、縮短開發周期，充分利用單片機的片上硬件資源，發揮其軟件編程靈活、方便等優點，彌補其處理器僅有8 b數據處理能力且主頻率偏低(最高20 MHz)的缺陷，結合空調室外機生產和安規測試工藝要求，充分發揮安規測試與功能檢測合一的優勢，進一步降低對原功能測試工藝的影響，提高生產和測試效率，依據網絡系統結構開發了基于字節傳輸的串行通信協議。在傳輸數據中定義命令與地址復用字節、數據字節和應答確認字節三種報文。主站發出的數據為指令和地址字節，其中指令占2 b，地址占用5 b，1 b作為標志位。從站應答的數據報文字節包括確認信息和地址。測控網絡通信系統最多可配置32個從站。按照實際生產線的測試工位設置測控網絡，在總線通信速率為 115.2 Kb/s的情況下，網絡主站逐個對從站進行循環掃描通信的周期為6 ms。經現場測試運行，測控網絡總線通信速率為57.6 Kb/s，系統總線主站輪詢從站并由從站返回測試數據的單個周期時間小于20 ms，滿足生產線的時間響應要求。

通信系統設計從站自動刷新和預約功能：在允許的從站數量范圍內增加新的從站時，可以自動識別并納入測控網絡系統，無需修改軟件設置；若有從站出現故障則自動下線，修復后自動返回系統。該設計便于設計人員設計和調試，故障時可用最短時間恢復網絡功能，提高了網絡的運行可靠性[11]。

4 安規測控網絡系統抗干擾性設計

安規測控網絡系統在軟硬件設計、檢測和控制線路布線、測控網絡系統裝置的裝設等系統設計與施工方面遵從基本的設計指導方針，通信線路選用屏蔽雙絞線，布線遠離測試線路和動力線路；分析生產現場可能存在的干擾源，進行電磁兼容性能設計。在硬件方面，安規測試電路選用變壓器進行靜電屏蔽和安全屏蔽設計；線路采用金屬屏蔽層套裝，布線時與數據通信線路間距按照標準布設；主、從站系統電源采用隔離電源模塊；串行通信接口器件選取隔離型高速、高驅動能力的RS-485器件；數據通信線路采用屏蔽雙絞線且單點接地設計；在軟件方面，啟動單片機內置看門狗，數據傳輸協議采用精簡的數據、地址和指令格式，以最少的數據傳輸測控系統運行所必需的信息，從而盡可能提高網絡傳輸效率和降低傳輸錯誤概率。

5 結束語

本文采用AVR單片機設計安規測控網絡系統，并應用于空調外機生產線的安規測試，充分發揮了單片機的硬件資源和軟件優勢，在確保生產效率和質量的前提下，以較低的成本實現了預期設計目標。系統投入生產線進行生產測試運行，能夠按照測試工藝實現自動安規測試。測控網絡硬件系統及其軟件系統滿足生產控制和工藝標準的各項要求，不僅保證了正常生產要求，還可以進一步提升生產效率。安規自動測控網絡不僅能夠為企業節約大量的人力資源成本，而且可以實時采集產品的基礎數據，為實現智能制造奠定了技術基礎。

[1] 繆學勤.工業4.0推動機電一體化走向智能技術系統[J].自動化儀表,2016，37(1):1-5.

[2] 季明紅,胡鋼,馬勝,等.遠程集散式安規測試系統設計[J].微處理機,2013(1):65-72.

[3] 范學,李高林.電氣安規測試研究[J].汽車零部件,2012(5):84-87.

[4] 陳建志.接地導通電阻測試國家標準要求及對JJG984-2004的探討性建議[J].上海計量測試，2016(5):46-47.

[5] 青島職業技術學院.一種空調外機安規自動檢測系統及檢測方法:CN201510974196.9[P/OL].[2016-03-23].http://www.pss-system.gov.cn/sipopublicsearch/search/search/showView List.shtml.

[6] 黃玉彥,徐森,王道凱,等.Profibus診斷技術在鋰電池隔膜生產線上的應用[J].自動化儀表,2016，37(9):45-47.

[7] 黎山峰,楊雷,孫建軍.基于Cortex-M4的安規測試儀的設計與實現[J].自動化與儀表,2015，36(5):17-20.

[8] 王彥林.基于LabVIEW和AVR單片機的RS485通信系統設計與實現[J].電子技術與軟件工程,2015(17):253-254.

[9] 韓冬,張拓,袁慶一.AVR單片機與PLC通信技術的研究與應用[J].工程與試驗,2016，56(1):99-101.

[10]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015:96-167.

[11]張鳳登.現場總線技術與應用[M].北京：科學技術出版社,2013：236-238.

Design of the Automatic Safety Test and Control Network Based on AVR MCU

CUI Liantao,DONG Lei

(Haier School,Qingdao Technical College,Qingdao 266555，China)

Aiming at the shortcomings of manual operation mode of safety tests for air conditioning external machines,e.g.,low efficiency,unstable test,the test data cannot be stored,the demands for “intelligent manufacturing” are difficult to be satisfied,etc.,the existing structure of production line and safety test process of the air conditioning external machines are investigated.The safety test of the air conditioning external machine is researched,and the test circuit is designed.The hardware system of the embedded modular test and control network is designed,including the master station with the ATmega128 as the core and the slaver station with the ATmega16 as the core; the RS-485 based master-slave communication protocol is developed,the master station controls the test and collects the data,and the test data are input to production platform of enterprise via wireless transmission system.The modules above construct the automatic safety test and control network system,and the anti-interference design is conducted.The automatic safety test and control network can be embedded into existing production line of the external machines.It is suitable for the safety test of different types of air conditioners.The practical production shows that the design conforms the productive and technological process requirements,and lays the foundation for the research and application of prototype design and other electrical products.

Air conditioning external machine; Automation; Measurement and control network; Safety test; Embedded; Modular; RS-485; AVR MCU; Wireless communication

山東省高等學?？萍加媱澔鹳Y助項目(J15LB70)

崔連濤(1978—),男，碩士，工程師，主要從事工業自動化技術、控制系統應用方向的研究。E-mail：22513548@qq.com。

TH39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706015

修改稿收到日期:2016-12-08