基于AVR单片机的自动安规测控网络设计

崔连涛,董 雷

(青岛职业技术学院海尔学院,山东 青岛 266555)

基于AVR单片机的自动安规测控网络设计

崔连涛,董 雷

(青岛职业技术学院海尔学院,山东 青岛 266555)

针对目前空调外机安规测试人工操作模式效率低、测试不稳定、测试数据不能保存、难以满足智能制造的需求等问题，调查了现有空调外机生产线体结构、安规测试工艺及测试流程，研究了空调外机安规测试，设计了安规测试电路。以ATmega128和ATmega16为核心控制器件，分别设计了主站和从站，并构建了主从式模块化测控网络硬件系统；开发了基于RS-485的主从网络通信协议，主站控制安规测试仪器进行测试和采集数据，测试数据经无线传输系统输入企业生产管理平台。上述模块构成了自动安规测量及控制网络系统，并具备抗干扰能力。自动安规测控网络能够嵌入到空调外机现有生产线体，适用于不同空调机型的安规测试。生产实践运行表明，自动安规测控网络设计符合空调外机安规测试生产和工艺要求，为样机的设计应用及其他电气产品的安规检测自动化研究奠定了基础。

空调外机； 自动化； 测控网络；安规检测； 嵌入式； 模块化； RS-485； AVR单片机；无线通信

0 引言

随着工业4.0时代的到来，智能工厂和智能生产已成为各国制造业的发展目标[1]，我国的家电生产领域也随之进行生产智能化的升级改造。空调机制造是家电领域的支柱产业，而安规测试是国际上对电气和电子产品，特别是家用电器生产的强制性要求。现有的安规测试国际标准有美国保险商实验室(UL)、德国电气工程师协会(VDE)、国际电工委员会(IEC)等，而我国有“3C”认证。电气产品必须经过相应标准的安规测试且结果合格才允许出厂销售[2]。

目前，国内家用空调室外机的安规测试生产工艺以人工操作安规测试仪器进行检测为主，测试参数包括绝缘电阻、绝缘耐压、接地电阻和泄漏电流[3-4]。人工操作模式下，生产效率和安规测试质量不稳定，测试数据不能保存，难以满足智能生产的需求[5]。因此，研制一种基于总线技术的嵌入式智能控制网络进行实时有效的安规测试和数据采集，对实现智能工厂和智能化生产具有十分重要的意义[6-7]。

1 安规测试控制网络硬件设计

1.1 硬件系统整体设计

结合现有空调外机生产线技术，依据生产工艺标准及其要求，研究了适应现有空调外机生产线和生产工艺，能够直接装配在生产线上，并适用于不同类型的生产线体及不同空调机型的自动安规检测工艺。自动安规测试网络硬件设计要求能够直接装配在现有生产线上，并具有嵌入式特点和自动进行安规测试的功能。

为提高网络通信控制的可靠性和稳定性，兼顾投入成本的经济性，技术方案以AVR单片机为主要控制器件，以RS-485为物理层技术标准，构建拓扑结构为总线式的分散控制型单片机网络；将其作为控制系统的硬件，并在此基础上进行软件和程序设计[8]。

空调外机安规测控网络硬件系统整体结构框图如图1所示。

图1 硬件系统结构框图

1.2 主站硬件系统设计

依据设计方案，安规测控网络主站控制器的硬件通信资源需求主要有:①主站与从站之间的数据通信，需用一个USART串口；②主站与两台安规测试仪器之间数据通信，需用两个USART串口；③需用独立的一路数据通信端口将安规测试的结果数据无线传输至生产管理系统。因此，网络主站选用的单片机应具有功能强、控制灵活性高、微型化等特点，使用方便，有利于通信系统的开发应用。经综合分析比较，选用具有双串口的AVR的MEGA系列ATmega128单片机作为主控制器设计主站。ATmega128为AVR RISC结构的8 b低功耗CMOS微处理器，与其他类型同规格的单片机相比，其在同频率下具有较高的数据处理能力和丰富的片上硬件资源[9]。

安规测控网络主站硬件系统结构框图如图2所示。

图2 主站硬件系统结构框图

1.3 从站硬件系统设计

安规测控网络系统从站的主要任务有：①接收主站的指令，对本站工位的产品设备按照安规测试工艺要求进行检测；②显示测试数据，依据测试数据接通结果指示灯；③根据测试结果是否合格，执行功能测试工艺。

综合从站的控制功能需求和从站128×64的点阵液晶显示功能，为简化硬件电路设计，本设计选用高性能、低功耗、绝大多数指令执行为单时钟周期、具有16 KB程序存储器的AVR单片机MEGA系列ATmega16，作为主控制器设计从站硬件系统[10]。安规测控网络从站硬件系统结构框图如图3所示。

图3 从站硬件系统结构框图

1.4 主站硬件系统的串口设计

ATmega128的串口硬件资源包括两个USART、面向字节的两线接口TWI和SPI串行端口。按照空调外机安规测试工艺标准要求，四项电气参数必须全部检测合格才能认定整机安规测试合格。因此，安规测试系统选用具有RS-232串行接口的7623和7440各一台。其中：7623测试泄漏参数；7440测试绝缘电阻、接地电阻和绝缘耐压三个参数。7623和7440的通信接口标准均为RS-232，所以检测仪器需要两个串行口进行通信。本系统方案设计主站与从站通信采用ATmega128的USART1串行口；主站与7623和7440通信采用USART0串行口，即以分时复用USART0串行口的方式使用同一个物理通道进行数据通信。无线数据传输器件选用两线串行数据通信口TWI与ATmega128连接。自动测控网络主站硬件系统的串口通信连接线路结构如图4所示。

图4 自动测控网络主站通信结构框图

2 安规测控网络的软件设计

经空调外机生产线现场调研，结合安规测试工艺要求，以及紧前生产组装工艺和紧后功能测试工艺要求，在不影响生产效率的前提下，设计安规测试工作流程及程序控制算法，经优化后设计软件和程序代码。

2.1 主站软件设计

主站软件运行与安规测试操作控制流程如下。

①主站上电执行初始化程序。

②主站轮询各从站是否有安规测试请求。

③若主站收到子机发出的安规测试请求，则把该从站的站号按顺序排入待测试队列，然后继续轮询其后的从站，直至完成对所有从站的轮询。

④主站调取内存中待测试队列的首位从站站号并向该从站发出执行测试命令，等待从站确认应答。

⑤主站收到该从站应答后启动7623，按照内存中待测试队列的首位从站站号调取检测参数并进行安规测试。主站在等待过程中执行步骤②直至7623测试结束，然后读取测试结果数据。

⑥主站切换测试通道至7440，按照内存中待检测队列的首位从站站号调取检测参数并进行安规测试；等待7440安规测试过程中，执行步骤②直至7440测试结束，然后读取7440的测试结果。

⑦主站把7623和7440的测试结果处理后发给相应从站。

⑧主站内存中待测试队列整体前进一步，原队列首位站号被覆盖，然后循环执行步骤②至步骤⑧。

2.2 从站软件设计

从站软件运行与安规测试操作控制流程如下。

①从站系统上电执行初始化程序。

②读取外部按键，判读是否有测试指令输入。

③若有测试指令输入，绿灯闪烁1 s，等待主站轮询到本站后并发测试请求指令给主站。

④等待主站的执行测试指令，收到执行测试指令后点亮黄灯，吸合接触器和高压继电器。

⑤等待主站测试结束，接收主站发回的测试结果数据，熄灭黄灯。

⑥对安规测试结果进行分析并显示。

⑦若安检结果为合格，点亮绿灯，同时发出启动功能测试指令；若不合格则点亮红灯，提示安规测试结果不合格，并取消功能测试。

3 测控网络通信系统开发

为提高安规测控网络系统的实时控制性能、缩短开发周期，充分利用单片机的片上硬件资源，发挥其软件编程灵活、方便等优点，弥补其处理器仅有8 b数据处理能力且主频率偏低(最高20 MHz)的缺陷，结合空调室外机生产和安规测试工艺要求，充分发挥安规测试与功能检测合一的优势，进一步降低对原功能测试工艺的影响，提高生产和测试效率，依据网络系统结构开发了基于字节传输的串行通信协议。在传输数据中定义命令与地址复用字节、数据字节和应答确认字节三种报文。主站发出的数据为指令和地址字节，其中指令占2 b，地址占用5 b，1 b作为标志位。从站应答的数据报文字节包括确认信息和地址。测控网络通信系统最多可配置32个从站。按照实际生产线的测试工位设置测控网络，在总线通信速率为 115.2 Kb/s的情况下，网络主站逐个对从站进行循环扫描通信的周期为6 ms。经现场测试运行，测控网络总线通信速率为57.6 Kb/s，系统总线主站轮询从站并由从站返回测试数据的单个周期时间小于20 ms，满足生产线的时间响应要求。

通信系统设计从站自动刷新和预约功能：在允许的从站数量范围内增加新的从站时，可以自动识别并纳入测控网络系统，无需修改软件设置；若有从站出现故障则自动下线，修复后自动返回系统。该设计便于设计人员设计和调试，故障时可用最短时间恢复网络功能，提高了网络的运行可靠性[11]。

4 安规测控网络系统抗干扰性设计

安规测控网络系统在软硬件设计、检测和控制线路布线、测控网络系统装置的装设等系统设计与施工方面遵从基本的设计指导方针，通信线路选用屏蔽双绞线，布线远离测试线路和动力线路；分析生产现场可能存在的干扰源，进行电磁兼容性能设计。在硬件方面，安规测试电路选用变压器进行静电屏蔽和安全屏蔽设计；线路采用金属屏蔽层套装，布线时与数据通信线路间距按照标准布设；主、从站系统电源采用隔离电源模块；串行通信接口器件选取隔离型高速、高驱动能力的RS-485器件；数据通信线路采用屏蔽双绞线且单点接地设计；在软件方面，启动单片机内置看门狗，数据传输协议采用精简的数据、地址和指令格式，以最少的数据传输测控系统运行所必需的信息，从而尽可能提高网络传输效率和降低传输错误概率。

5 结束语

本文采用AVR单片机设计安规测控网络系统，并应用于空调外机生产线的安规测试，充分发挥了单片机的硬件资源和软件优势，在确保生产效率和质量的前提下，以较低的成本实现了预期设计目标。系统投入生产线进行生产测试运行，能够按照测试工艺实现自动安规测试。测控网络硬件系统及其软件系统满足生产控制和工艺标准的各项要求，不仅保证了正常生产要求，还可以进一步提升生产效率。安规自动测控网络不仅能够为企业节约大量的人力资源成本，而且可以实时采集产品的基础数据，为实现智能制造奠定了技术基础。

[1] 缪学勤.工业4.0推动机电一体化走向智能技术系统[J].自动化仪表,2016，37(1):1-5.

[2] 季明红,胡钢,马胜,等.远程集散式安规测试系统设计[J].微处理机,2013(1):65-72.

[3] 范学,李高林.电气安规测试研究[J].汽车零部件,2012(5):84-87.

[4] 陈建志.接地导通电阻测试国家标准要求及对JJG984-2004的探讨性建议[J].上海计量测试，2016(5):46-47.

[5] 青岛职业技术学院.一种空调外机安规自动检测系统及检测方法:CN201510974196.9[P/OL].[2016-03-23].http://www.pss-system.gov.cn/sipopublicsearch/search/search/showView List.shtml.

[6] 黄玉彦,徐森,王道凯,等.Profibus诊断技术在锂电池隔膜生产线上的应用[J].自动化仪表,2016，37(9):45-47.

[7] 黎山峰,杨雷,孙建军.基于Cortex-M4的安规测试仪的设计与实现[J].自动化与仪表,2015，36(5):17-20.

[8] 王彦林.基于LabVIEW和AVR单片机的RS485通信系统设计与实现[J].电子技术与软件工程,2015(17):253-254.

[9] 韩冬,张拓,袁庆一.AVR单片机与PLC通信技术的研究与应用[J].工程与试验,2016，56(1):99-101.

[10]刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015:96-167.

[11]张凤登.现场总线技术与应用[M].北京：科学技术出版社,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

山东省高等学校科技计划基金资助项目(J15LB70)

崔连涛(1978—),男，硕士，工程师，主要从事工业自动化技术、控制系统应用方向的研究。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