基于AVR单片机的电力系统数据采集与通信系统设计

马洪波 周 悦

（1.沈阳建筑大学 信息与控制工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.辽宁省送变电工程公司，辽宁 沈阳 110021）

0 引言

智能化是电力系统发展方向。随着网络电子产品等与电力系统的紧密融合，分布式电源、储能装置、智能电器等快速发展，以及云计算、大数据、移动终端等现代信息技术的广泛应用，传统电网向智能电网的全面升级已成必然。要顺应世界电网发展最新趋势，推广线路智能监控系统、智能调度控制系统、智能互动用电设备成为首要任务，因此需要建设贯穿各领域的高效信息传输的技术，进而加快电网各环节的智能升级改造，全面提高电网智能化水平。

1 本设计系统功能

本文基于AVR单片机的数据采集和通信系统的功能，应用两级计算机系统完成，上位机应用普通PC计算机，下位机采用单片机控制，下位机主要完成数据的采集及数据传输给上位机的功能，上、下位机之间以串行数据传输方式进行通信。双方共同遵守同一个通信协议。下位机接收到的上位机指令后将采集的数据处理后传给上位机。上位机在软件的支持下对采集的数据进行分析处理。

本系统分成三个模块组成：模拟量采集模块、开关量、LCD、LED本地显示模块，通过串行口传输给上位机模块。系统结构图如图1所示。

图1中的5个模拟量用遥控盒上的5个电位器来模拟输入。经过芯片TLC2543进行模数转换，然后输入到ATmega64L中的PD口。经过AVR单片机处理后再经PA口输出到液晶显示模块（LCM1）进行本地显示，经PD2口和PD3口输出到MAX232E的RXD和TXD进行RS-232的电平转换，最后通过串行电缆送到上位机。

系统利用遥控盒上8个开关的开和关模拟数字量输入的逻辑“1”或逻辑 “0”，经过三态双向总线隔离/驱动芯片74HC245，输入到ATmega64L中的PE口。AVR单片机处理之后经PA口输出到8D锁存器74HC573中，然后经过驱动电路控制8个LED的亮或灭。同时单片机同样经PD2和PD3输出到MAX232E的RXD和TXD进行RS-232的电平转换，最后通过串行电缆送到上位机。

图1 基于AVR单片机的数据采集与通信系统结构图

2 设备选型

本设计采用ATmel公司的高性能低功耗的AVR单片机ATmega64L作为设备的核心控制器。根据图1所设计的系统结构，选择外围电路器件分别为：锁存器74HC573、发光二极管LED、液晶显示器LCD芯片MAX232E、芯片74HC245、串行传输口RS232等，进而达到本系统的设计功能。

3 RS-232通信接口标准

本次设计，需要用单片机执行数据采集的任务，把采集结果通过单片机传送到上位计算机中去，最后由计算机完成数据处理过程，以及人机界面显示。这需要在单片机和计算机之间建立通信结构。此结构可以在单片机和计算机之间进行有效而正确的信息传输。

RS-232通信接口是美国电子工业协会（EIA）正式公布的串行通信接口标准，用来实现计算机和计算机之间、计算机和外设之间的数据传输。RS-232串行接口总线适用于设备之间通信距离在15米以内而且速度不高于20Kbps的场合中。

RS-232在电气接口上采用负逻辑，即逻辑“1”为-5V～-15V，而逻辑：“0”则是+5V～+15V。

由于单片机采用的是 TTL电平，即逻辑“1”为+5V，逻辑“0”为0V，因此为了实现单片机和计算机之间的通信，必须进行RS-232和TTL接口之间的电平转换。

本设计中实现TTL电平和RS-232电平转换的芯片是MAX232E.MAX232E由+5V电源供电，主要由一个片内电压泵升电路、一个双重发送电路和一个双重接收电路组成。电压泵升电路由两个电荷泵组成，用以实现升压和电压极性的转换[4]。

4 AVR内部资源的C语言编程

本次设计所选择的ATmega64L型号单片机是一款片内资源丰富的单片机，它除了64KBFlash程序存储器和4KB片内SRAM数据存储器，53个可编程的I/O口外，还有全双工异步串行通信接口USART，同步串行接口SPI和35个中断源等。对片内资源进行充分的开发和利用是设计ATmega64L单片机应用系统的关键。

本设计采用C语言编程，因为C语言的可移植性最佳而成为首选。

5 软件结设计

基于AVR单片机的数据采集和通信系统控制软件采用模块化设计。从结构上看主要包括主循环体程序、接收数据程序、发送数据程序、中断服务程序和其它控制程序。

5.1 主程序

主程序开始时进行定时器0，定时器1，定时器2，AD，DI，LCD，MCU等的初始化，初始化主要是设置定时器的中断方式（如使设置定时器0溢出中断，定时器1比较中断，定时器2溢出中断），外部中断INT0，INT1中断方式（INT0下降沿产生异步中断请求，INT1上升沿产生异步中断请求）；AD，DI处于可以接收模拟量和开关量的状态。然后程序进入循环状态，首先判断串口接收标志是否为1，如果是1且上位机处于使能发送状态则接收数据同时LCD显示遥控状态，如果上述条件不符合则跳入下一个判断即外部中断INT0控制的AD采样判断，首先判断中断标志是否为1，如果为1，则取样求平均值，在LCD上显示模拟量号（通道0，显示第1，2路模拟量，通道1显示第3，4路模拟量，通道2显示第5，6路模拟量）。如果中断标志不为1，则跳入下一个判断开关量DI采样标志是否为1，如果为1，则检验DI口输入量是否有变化，如果有变化则保存数据，并置相应的指示灯亮，如果输入量无变化则检验上次开关量是否发送完毕，如果发送完毕，则发送下一个数据包。如果未发送完毕或DI采样标志不为1则跳入下一次判断即外部中断INT1控制的按键中断，如果按键标志为1，则键值为1通道号加1，显示下两路模拟量，如果键值为2，则通道号减1，显示前两路模拟量；再将按键标志置为0此时结束程序进入下一次循环判断，如果按键标志为0直接结束程序进入下一次循环判断。

5.2 中断程序

定时器0中断服务程序

定时器0中断主要完成模拟量的数据采集与平均值计算。具体为：定时器0中断时间为20毫秒，用于AD采样计时；当AD采样次数满15次后判断采样结束标志，如果采样结束则计算平均值然后在LCD上进行显示后，产生AD中断，最后中断返回。

定时器1中断服务程序：定时器1主要完成扫描开关量输入状态，具体为：中断时间为250毫秒，如果有开关量输入，则置开关量输入标志为1，然后中断返回。

定时器2中断服务程序：定时器2中断服务程序主要完成按键处理，用于按键的去抖延时控制。串行发送中断服务程序：串行中断服务程序主要完成向上位机传输数据的功能。

串行接收中断服务程序：串行接收中断服务程序主要完成接收上位机发送的数据的功能。

中断0服务程序：中断0主要完成模拟量的采集。当6路模拟量采集完毕后，关中断，再将采集到的模拟量送入模拟量缓冲区，然后中断返回。

中断1服务程序：中断1主要完成按键处理，主要完成去抖延时的功能。

6 结束语

ATmega64L是片内资源非常丰富的单片机，对单片机片内资源进行充分的开发和利用。是设计ATmega64L应用系统的关键。在基于AVR单片机的电力系统数据采集与通信系统的软件设计方法中，采用模块化设计，以AVR单片机为控制核心，通过软件编程来实现系统功能。运行结果显示，该数据采集与通信系统操作简单方便、运行正常、成本低廉，上位机与下位机通信均达到系统性能要求。

［1］马建明.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005，9.

［2］余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：电子科技大学出版社，1994，6.

［3］ATmel公司.具有64KB系统内可编程Flash的8位微控制器 ATmega64、ATmega64L（初稿）[S].2490G－AVR－03/04.

［4］谭浩强.C 程序设计[M].北京：清华大学出版社，1999，7.

［5］求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2005，1.

［6］李长林.AVR单片机应用设计[M].北京：电子工业出版社，2005，5.