AVR单片机在多回路数据采集器中的应用

1 引言

AVR系列单片机[1]是ATMEL公司于1997年推出的具备高速处理能力的单片机，它采用Harvard总线结构，程序存储器和数据存储器分离，可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立寻址的功能。AVR单片机具有良好的集成性能，具备在线编程接口等功能,在自动控制、智能仪表、数据采集系统、家用电器等中有广泛的应用。

ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它承袭了AT90所具有的特点，并在AT90的基础上，增强了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。ATmega128单片机是目前ATmega系列单片机中功能最强的一个型号，最高工作频率可达16MHZ，具有高速运行处理能力。它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，并且软件上有效支持C高级语言及汇编语言。针对目前国内工业电力监控行业中多用户数据采集的需求，研发了一种基于ATmega128单片机的多回路、高精度、快速数据采集器，主要是监测电流、报警、状态信息，再根据这些信息形成反馈控制信息，具备远程操作能力,不仅可以用于新的电力监控系统中，而且可以方便的取代原有网络系统中的设备，具有广阔的市场前景。该数据采集器的关键技术在于ATmega128微处理器芯片内A/D转换器的硬件接口设计及AD采集处理软件编程。

2 ATmega128单片机的主要特征及其片内A/D转换器

ATmega128是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC 结构的8位单片机，其主要性能有：高性能、低功率的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构。ATmega128单片机芯片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器；丰富强大的外部接口性能；特殊的微控制处理器性能。其主要优点是芯片本身自带看门狗电路，片内程序Flash及8通道复用的10位A/D转换器；通用I/O接口具有很强的驱动能力，可省去一部分驱动电路，节约了系统成本；附带同步串行接口SPI，可以实现与PC机的联网通讯功能；采用符合IEEEstd.1149.1标准的JTAG测试接口来实现程序的下载和系统的调试，因而系统的开发调试十分方便；即使已被应用于现场，也可以随时进行一定程序的修改。

ATmega128有一个10位的逐次比较的A/D转换器，ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能够对以PORTC口作为ADC输入引脚的8路单端电压输入进行采样。ADC包括采样保持电路，以确保输入电压在ADC转换过程中保持恒定。ADC还有一个噪声抑制器，在休眠模式下进行A/D转换时，应用该特性可以降低由MCU内核和I/O外围设备引入的噪声。ADC功能单元有独立的专用模拟电源引脚AVCC供电。AVCC和VCC的电压差别不能大于0.3V。ADC转换的参考电源可采用芯片内部的参考电源，或采用AVCC，也可采用外部的参考电源，外部参考电源由引脚AREF接入，同时AREF引脚外部并接一个电容来提高ADC的抗噪性能。ADC还包含一个预分频器，可以对输入的系统时钟进行分频，以获得适合的ADC时钟。一次常规的A/D转换需要13个ADC时钟周期，ADC为用户提供了内部中断方式的处理，可以满足实时性的要求。

近年来ATmega128单片机以优良而稳定的性能广泛应用于各种电力系统智能自动化仪表中。

3 多回路数据采集器的总体结构

多回路数据采集器系统主要由微处理器、AD采集处理部分、参数设置、输出单元、LED显示和通讯接口等功能模块组成。

考虑到模拟信号及开关量信号的数目、速度、精度的要求，系统结构的精简、成本以及今后软硬件的升级需要，该采集器系统的微处理器功能模块由ATmega128单片机来实现。 AD采集处理部分是本系统设计的关键部分，它需要采集8路输入信号，每路输入信号有：1个电流有效值(0~6A)，两个有源开关量输入（报警信号和状态信号输入）。参数设置部分主要设置本设备地址和通讯波特率，可设置本设备地址范围为1~63，通讯波特率范围为4800~38400波特，以满足用户多种不同需求。这一功能由软件编程来实现。输出单元同样有8路输出,每路有2个开关量输出，用继电器提供两个无源触点来实现。为了避免外部干扰对信号影响，信号的输入和输出单元使用高速光电耦合电路。显示部分用LED显示报警信号与状态检测信号输入、系统电源的通断信号以及通讯信号的工作情况。通讯接口单元采用RS485接口电路，是一种RS232/RS485转换器。该数据采集器系统与PC机通过采用ModBus/RTU协议实现通信联网功能。

4 系统AD采集处理的实现

4.1 A/D转换器的硬件接口连接

以ATmega128单片机为核心的多回路数据采集器的A/D转换器的硬件接口电路框图如图1所示。ATmega128单片机的内部资源非常丰富，有128KB的