崔連濤,董 雷

(青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院海爾學(xué)院,山東 青島 266555)

基于AVR單片機的自動安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

崔連濤,董 雷

(青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院海爾學(xué)院,山東 青島 266555)

針對目前空調(diào)外機安規(guī)測試人工操作模式效率低、測試不穩(wěn)定、測試數(shù)據(jù)不能保存、難以滿足智能制造的需求等問題，調(diào)查了現(xiàn)有空調(diào)外機生產(chǎn)線體結(jié)構(gòu)、安規(guī)測試工藝及測試流程，研究了空調(diào)外機安規(guī)測試，設(shè)計了安規(guī)測試電路。以ATmega128和ATmega16為核心控制器件，分別設(shè)計了主站和從站，并構(gòu)建了主從式模塊化測控網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)；開發(fā)了基于RS-485的主從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，主站控制安規(guī)測試儀器進行測試和采集數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸系統(tǒng)輸入企業(yè)生產(chǎn)管理平臺。上述模塊構(gòu)成了自動安規(guī)測量及控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并具備抗干擾能力。自動安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)能夠嵌入到空調(diào)外機現(xiàn)有生產(chǎn)線體，適用于不同空調(diào)機型的安規(guī)測試。生產(chǎn)實踐運行表明，自動安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計符合空調(diào)外機安規(guī)測試生產(chǎn)和工藝要求，為樣機的設(shè)計應(yīng)用及其他電氣產(chǎn)品的安規(guī)檢測自動化研究奠定了基礎(chǔ)。

空調(diào)外機； 自動化； 測控網(wǎng)絡(luò)；安規(guī)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(yè)4.0時代的到來，智能工廠和智能生產(chǎn)已成為各國制造業(yè)的發(fā)展目標(biāo)[1]，我國的家電生產(chǎn)領(lǐng)域也隨之進行生產(chǎn)智能化的升級改造?？照{(diào)機制造是家電領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)，而安規(guī)測試是國際上對電氣和電子產(chǎn)品，特別是家用電器生產(chǎn)的強制性要求?，F(xiàn)有的安規(guī)測試國際標(biāo)準(zhǔn)有美國保險商實驗室(UL)、德國電氣工程師協(xié)會(VDE)、國際電工委員會(IEC)等，而我國有“3C”認(rèn)證。電氣產(chǎn)品必須經(jīng)過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的安規(guī)測試且結(jié)果合格才允許出廠銷售[2]。

目前，國內(nèi)家用空調(diào)室外機的安規(guī)測試生產(chǎn)工藝以人工操作安規(guī)測試儀器進行檢測為主，測試參數(shù)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(chǎn)效率和安規(guī)測試質(zhì)量不穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)不能保存，難以滿足智能生產(chǎn)的需求[5]。因此，研制一種基于總線技術(shù)的嵌入式智能控制網(wǎng)絡(luò)進行實時有效的安規(guī)測試和數(shù)據(jù)采集，對實現(xiàn)智能工廠和智能化生產(chǎn)具有十分重要的意義[6-7]。

1 安規(guī)測試控制網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有空調(diào)外機生產(chǎn)線技術(shù)，依據(jù)生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)及其要求，研究了適應(yīng)現(xiàn)有空調(diào)外機生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝，能夠直接裝配在生產(chǎn)線上，并適用于不同類型的生產(chǎn)線體及不同空調(diào)機型的自動安規(guī)檢測工藝。自動安規(guī)測試網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計要求能夠直接裝配在現(xiàn)有生產(chǎn)線上，并具有嵌入式特點和自動進行安規(guī)測試的功能。

為提高網(wǎng)絡(luò)通信控制的可靠性和穩(wěn)定性，兼顧投入成本的經(jīng)濟性，技術(shù)方案以AVR單片機為主要控制器件，以RS-485為物理層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式的分散控制型單片機網(wǎng)絡(luò)；將其作為控制系統(tǒng)的硬件，并在此基礎(chǔ)上進行軟件和程序設(shè)計[8]。

空調(diào)外機安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主站硬件系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)設(shè)計方案，安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)通信，需用一個USART串口；②主站與兩臺安規(guī)測試儀器之間數(shù)據(jù)通信，需用兩個USART串口；③需用獨立的一路數(shù)據(jù)通信端口將安規(guī)測試的結(jié)果數(shù)據(jù)無線傳輸至生產(chǎn)管理系統(tǒng)。因此，網(wǎng)絡(luò)主站選用的單片機應(yīng)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(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。經(jīng)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(shè)計主站。ATmega128為AVR RISC結(jié)構(gòu)的8 b低功耗CMOS微處理器，與其他類型同規(guī)格的單片機相比，其在同頻率下具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片上硬件資源[9]。

安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)主站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 從站硬件系統(tǒng)設(shè)計

安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從站的主要任務(wù)有：①接收主站的指令，對本站工位的產(chǎn)品設(shè)備按照安規(guī)測試工藝要求進行檢測；②顯示測試數(shù)據(jù)，依據(jù)測試數(shù)據(jù)接通結(jié)果指示燈；③根據(jù)測試結(jié)果是否合格，執(zhí)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(shè)計，本設(shè)計選用高性能、低功耗、絕大多數(shù)指令執(zhí)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(shè)計從站硬件系統(tǒng)[10]。安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)從站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 從站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.4 主站硬件系統(tǒng)的串口設(shè)計

ATmega128的串口硬件資源包括兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI和SPI串行端口。按照空調(diào)外機安規(guī)測試工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，四項電氣參數(shù)必須全部檢測合格才能認(rèn)定整機安規(guī)測試合格。因此，安規(guī)測試系統(tǒng)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(shù)；7440測試絕緣電阻、接地電阻和絕緣耐壓三個參數(shù)。7623和7440的通信接口標(biāo)準(zhǔn)均為RS-232，所以檢測儀器需要兩個串行口進行通信。本系統(tǒng)方案設(shè)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(fù)用USART0串行口的方式使用同一個物理通道進行數(shù)據(jù)通信。無線數(shù)據(jù)傳輸器件選用兩線串行數(shù)據(jù)通信口TWI與ATmega128連接。自動測控網(wǎng)絡(luò)主站硬件系統(tǒng)的串口通信連接線路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動測控網(wǎng)絡(luò)主站通信結(jié)構(gòu)框圖

2 安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計

經(jīng)空調(diào)外機生產(chǎn)線現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合安規(guī)測試工藝要求，以及緊前生產(chǎn)組裝工藝和緊后功能測試工藝要求，在不影響生產(chǎn)效率的前提下，設(shè)計安規(guī)測試工作流程及程序控制算法，經(jīng)優(yōu)化后設(shè)計軟件和程序代碼。

2.1 主站軟件設(shè)計

主站軟件運行與安規(guī)測試操作控制流程如下。

①主站上電執(zhí)行初始化程序。

②主站輪詢各從站是否有安規(guī)測試請求。

③若主站收到子機發(fā)出的安規(guī)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(xù)輪詢其后的從站，直至完成對所有從站的輪詢。

④主站調(diào)取內(nèi)存中待測試隊列的首位從站站號并向該從站發(fā)出執(zhí)行測試命令，等待從站確認(rèn)應(yīng)答。

⑤主站收到該從站應(yīng)答后啟動7623，按照內(nèi)存中待測試隊列的首位從站站號調(diào)取檢測參數(shù)并進行安規(guī)測試。主站在等待過程中執(zhí)行步驟②直至7623測試結(jié)束，然后讀取測試結(jié)果數(shù)據(jù)。

⑥主站切換測試通道至7440，按照內(nèi)存中待檢測隊列的首位從站站號調(diào)取檢測參數(shù)并進行安規(guī)測試；等待7440安規(guī)測試過程中，執(zhí)行步驟②直至7440測試結(jié)束，然后讀取7440的測試結(jié)果。

⑦主站把7623和7440的測試結(jié)果處理后發(fā)給相應(yīng)從站。

⑧主站內(nèi)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(huán)執(zhí)行步驟②至步驟⑧。

2.2 從站軟件設(shè)計

從站軟件運行與安規(guī)測試操作控制流程如下。

①從站系統(tǒng)上電執(zhí)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(fā)測試請求指令給主站。

④等待主站的執(zhí)行測試指令，收到執(zhí)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(jié)束，接收主站發(fā)回的測試結(jié)果數(shù)據(jù)，熄滅黃燈。

⑥對安規(guī)測試結(jié)果進行分析并顯示。

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

3 測控網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)開發(fā)

為提高安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時控制性能、縮短開發(fā)周期，充分利用單片機的片上硬件資源，發(fā)揮其軟件編程靈活、方便等優(yōu)點，彌補其處理器僅有8 b數(shù)據(jù)處理能力且主頻率偏低(最高20 MHz)的缺陷，結(jié)合空調(diào)室外機生產(chǎn)和安規(guī)測試工藝要求，充分發(fā)揮安規(guī)測試與功能檢測合一的優(yōu)勢，進一步降低對原功能測試工藝的影響，提高生產(chǎn)和測試效率，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)了基于字節(jié)傳輸?shù)拇型ㄐ艆f(xié)議。在傳輸數(shù)據(jù)中定義命令與地址復(fù)用字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)和應(yīng)答確認(rèn)字節(jié)三種報文。主站發(fā)出的數(shù)據(jù)為指令和地址字節(jié)，其中指令占2 b，地址占用5 b，1 b作為標(biāo)志位。從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)報文字節(jié)包括確認(rèn)信息和地址。測控網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)最多可配置32個從站。按照實際生產(chǎn)線的測試工位設(shè)置測控網(wǎng)絡(luò)，在總線通信速率為 115.2 Kb/s的情況下，網(wǎng)絡(luò)主站逐個對從站進行循環(huán)掃描通信的周期為6 ms。經(jīng)現(xiàn)場測試運行，測控網(wǎng)絡(luò)總線通信速率為57.6 Kb/s，系統(tǒng)總線主站輪詢從站并由從站返回測試數(shù)據(jù)的單個周期時間小于20 ms，滿足生產(chǎn)線的時間響應(yīng)要求。

通信系統(tǒng)設(shè)計從站自動刷新和預(yù)約功能：在允許的從站數(shù)量范圍內(nèi)增加新的從站時，可以自動識別并納入測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，無需修改軟件設(shè)置；若有從站出現(xiàn)故障則自動下線，修復(fù)后自動返回系統(tǒng)。該設(shè)計便于設(shè)計人員設(shè)計和調(diào)試，故障時可用最短時間恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的運行可靠性[11]。

4 安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計

安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計、檢測和控制線路布線、測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)裝置的裝設(shè)等系統(tǒng)設(shè)計與施工方面遵從基本的設(shè)計指導(dǎo)方針，通信線路選用屏蔽雙絞線，布線遠(yuǎn)離測試線路和動力線路；分析生產(chǎn)現(xiàn)場可能存在的干擾源，進行電磁兼容性能設(shè)計。在硬件方面，安規(guī)測試電路選用變壓器進行靜電屏蔽和安全屏蔽設(shè)計；線路采用金屬屏蔽層套裝，布線時與數(shù)據(jù)通信線路間距按照標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)；主、從站系統(tǒng)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(qū)動能力的RS-485器件；數(shù)據(jù)通信線路采用屏蔽雙絞線且單點接地設(shè)計；在軟件方面，啟動單片機內(nèi)置看門狗，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用精簡的數(shù)據(jù)、地址和指令格式，以最少的數(shù)據(jù)傳輸測控系統(tǒng)運行所必需的信息，從而盡可能提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和降低傳輸錯誤概率。

5 結(jié)束語

本文采用AVR單片機設(shè)計安規(guī)測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并應(yīng)用于空調(diào)外機生產(chǎn)線的安規(guī)測試，充分發(fā)揮了單片機的硬件資源和軟件優(yōu)勢，在確保生產(chǎn)效率和質(zhì)量的前提下，以較低的成本實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。系統(tǒng)投入生產(chǎn)線進行生產(chǎn)測試運行，能夠按照測試工藝實現(xiàn)自動安規(guī)測試。測控網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)及其軟件系統(tǒng)滿足生產(chǎn)控制和工藝標(biāo)準(zhǔn)的各項要求，不僅保證了正常生產(chǎn)要求，還可以進一步提升生產(chǎn)效率。安規(guī)自動測控網(wǎng)絡(luò)不僅能夠為企業(yè)節(jié)約大量的人力資源成本，而且可以實時采集產(chǎn)品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)智能制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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

[2] 季明紅,胡鋼,馬勝,等.遠(yuǎn)程集散式安規(guī)測試系統(tǒng)設(shè)計[J].微處理機,2013(1):65-72.

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

[4] 陳建志.接地導(dǎo)通電阻測試國家標(biāo)準(zhǔn)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(yè)技術(shù)學(xué)院.一種空調(diào)外機安規(guī)自動檢測系統(tǒng)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(shù)在鋰電池隔膜生產(chǎn)線上的應(yīng)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(guī)測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)[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(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)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(shù)的研究與應(yīng)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(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015:96-167.

[11]張鳳登.現(xiàn)場總線技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)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(xué)?？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(yè)自動化技術(shù)、控制系統(tǒng)應(yīng)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