負荷缸是船舶電力核心發電機性能的負荷試驗必備的重要工裝設備，通過負荷試驗，可以檢驗發電機長期工作的性能穩定的情況(靜態特性)和對突加突卸負荷的應變能力(動態特性)。AVR單片機具有高性能低價格的優點，在本文中利用AVR單片機對發電機負荷缸的多路遠程遙控開關量進行采集監控并進行數字信號編解碼，用2芯的電纜取代原來40芯的粗電纜傳輸控制信號，有效地解決了工作中遇到的問題。

　　1 問題的提出

　　我們通過把由發電機供電的通電極板放到負荷缸水電阻中，用充氣升降極板和補給水調節水電阻大小的方法控制試驗發電機所帶負荷的大小，對發電機的性能進行試驗。體積龐大的負荷缸一般放置在碼頭，在船舶發電機的負荷試驗中需要在船舶配電板處控制負荷缸的各個部件，所以我們在船舶配電板處安裝了負荷缸遙控臺，通過一條40芯約100 m長的多芯電纜連接負荷缸和遙控臺。控制線路連接如圖1所示。

　　在多年的使用經驗中發現存在以下問題：

　　(1)因為電纜芯線繁多，工人接線時往往出現接錯線的問題，導致遙控臺沒法正常工作，需耗費時間進行調試。

　　(2)這條多芯的電纜非常大，在每次試驗安裝的時候需要耗費很多人力進行拉放。

　　(3)經過長期多次的使用，會出現電纜芯線折斷無法正常使用的現象，導致在試驗期間需花費人力進行檢查。

　　鑒于以上存在的問題，我們提出了以下的設想：尋找一種方法對這些多路遙控開關信號進行編碼傳送，然后在另一端進行解碼，使得可以用兩芯或較少的芯線來取代這條多芯電纜。

　　2 解決方案

　　對于以上遙控臺和負荷缸連接原理圖，因為在遙控臺上由負荷缸供電的低水位回傳信號指示燈等可以容易地改為由遙控臺端供電，而在負荷缸端只提供開關量信號，于是實際的問題便變成了實現一種對多路遙控開關和返回開關量信號進行編碼。剛開始考慮到采用T型電阻網絡對這些開關進行采樣，用A/D，D/A轉換的方法實現，但為了保證信號長距離傳輸的可靠性，決定用數字信號的方式對這些開關量進行編解碼，隨著技術的進步使這種設想成為可能，經過綜合比較，我們決定選用功能強大，價格便宜的ATMEL Mega8單片機對這些開關信號進行編解碼和信號傳輸控制。

　　DIP封裝的ATMEL Mega8單片機只有28個管腳，除掉電源和用于單片機之間通信必要的串行端口引腳，實際可用來做信號采集和輸出的管腳遠遠不夠，然而ATMEL Mega8單片機的12 MHz的高速運行速度相對于開關動作的速度來說極其快速，通過74SL244緩沖器和74SL273鎖存器共用單片機管腳，在程序中控制緩沖器使能端，控制鎖存器時鐘信號的方法擴展單片機I/O口。

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　　負荷缸端單片機具體連接如圖2所示。

　　圖2中2個74SL273鎖存器和1個74SL244緩沖器共用單片機PB和Pc端口低四位管腳，單片機通過PB4，PD3，PB5管腳分別控制第一個、第二個鎖存器的時鐘脈沖輸入端和緩沖器和使能端。我們在程序中設置單片機PB和PC端口低四位管腳為輸入狀態，控制74SL244緩沖器的使能端為低電平，并屏蔽兩個74SL273鎖存器的時鐘輸入，從而通過74SL244緩沖器采集負荷缸工作狀態開關信號;在程序中設置單片機PB和PC端口低四位管腳為輸出狀態，控制74SL244緩沖器的使能端為高電平，并讓單片機給其中一個74SL273鎖存器的加上時鐘輸人信號，從而通過74SL273鎖存器輸出一組開關狀態控制信號。

　　因為在負荷端和遙控臺的連接距離接近100 m，超過串口RS 232信號可靠傳送到達的距離，我們增加了SN75LBC184 RS 232/RS 485串行通信轉換器芯片，SN75LBC184輸人和單片機TXD、RXD管腳相連，單片機PD2引腳控制SN75LBC184芯片的收發使能端實現收發功能的轉換，用兩芯的電纜連接負荷缸端和遙控臺端SN75LBC184芯片的輸出端口，實現了單片機串口信號的遠距離傳送和電路的半雙工工作，具體連接如圖3所示。

　　3 串行通信協議及編程實現

　　3.1 串行通信協議

　　在從遙控臺端單片機和負荷缸被控端單片機的通信中.我們選擇通信協議為：9600波特率，8個數據位，1位停止位，無奇偶校驗。

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　　遙控臺端單片機和負荷缸被控端單片機之間的通信方式采用主從定時請求應答方式，遙控臺端單片機始終具有主動發送權，定時向負荷缸被控端單片機發送設置16個開關狀態命令幀和讀取回傳指示燈開關狀態命令，負荷缸單片機處于被動狀態響應狀態。

　　3.2 數據幀格式

　　在負荷缸的控制中，當發電機帶負荷運行時，意外的主開關分閘信號等同于發電機突卸負荷，特別是當滿負荷運行時意外的主開關分閘信號等同于發電機的瞬時100%突卸負荷，將導致發電機出現飛車現像，嚴重的損害發電機的性能，因此信號傳輸的可靠性非常重要，在本系統中遙控臺到負荷缸的命令幀格式采用如圖4所示的方法進行通訊握手和數據校驗保證遙控臺和負荷缸端的數據的可靠傳輸和控制。

　　其中：@為幀開始標志符，$為幀結束標志符，D1，D2分別為第一、第二組8個開關狀態組成的1個字節的無符號字符，V1，V2為其對應校驗碼，這里采用其按位取反。當D1，D2，V1，V2都為ASCII碼0xff時為請求負荷缸端回傳開關狀態命令幀，負荷缸端單片機響應命令回傳負荷缸端開關狀態命令幀的格式為：

　　其中：@為幀開始標志符，D1為8個回傳指示燈開關狀態組成的1個字節的無符號字符，V1為D1按位取反較驗碼，$為幀結束標志符。

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　　3.3 通訊握手和數據較驗編程實現

　　在單片機編程中，為了方便命令幀數據較驗，我們在單片機程序中設置了30個字節的堆棧空間用于緩存接收的數據，負荷缸端單片機程序流程圖如圖5所示，該程序在實際工作中運行穩定，滿足工作的要求。

　　4 結 語

　　本文利用AVR單片機的高速運行速度，采用74SL244緩沖器和74SL273鎖存器擴展單片機I/O口，實現了多路遠程遙控開關量采集監控和數字信號編碼，采用了握手和數據較驗的方法保證了數據的可靠傳輸和控制，用SN75LBC184 RS 232/RS 485串行通信轉換芯片實現了串行通信信號的遠距離傳送。本文的方法也可用于其他開關量信號采集和自動化控制場所，實現設備的智能監控。