單相智能電表設計方案

1、單相智能電表設計方案,1,設計要求回顧 系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 系統(tǒng)軟件架構 結論,內容簡介,2,國網(wǎng)新規(guī)約單相表設計特點,基本計量功能增加計量正反向有功電量測量線路電壓、相線電流、零線電流、有功功率，甚至還有功率因數(shù) 費控功能復雜支持IC卡本地費控或載波遠程費控支持時段電價或階梯電價增加ESAM芯片保證費控部分的數(shù)據(jù)安全性多種抄表通訊模式紅外，RS485和電力線載波外殼模具統(tǒng)一液晶屏、LED指示燈、按鍵、紅外抄表

2、和嵌入式載波通訊模塊安裝位置完全固定。電子線路布局布線的靈活性受到極大限制功能龐雜除電量計量外增加了大量的管理功能,選擇帶片上LCD的MCU？MCU上需要太多的LCD引腳連接，印版布線非常麻煩不合理的布局布線容易造成整體EMC和ESD性能降低缺乏后續(xù)系統(tǒng)擴充或移植的靈活性5V芯片大大方便系統(tǒng)設計計量芯片、載波模塊都要求5V接口MCU要有足夠的程序和數(shù)據(jù)空間配以豐富的外設模塊由此，MCU應該是：8位內核，5V

3、接口52或更多引腳封裝60K或更多Flash2K或更多RAM無需片上LCD驅動足夠的片上串行通訊口足夠的片上定時器,,3,國網(wǎng)單相表系統(tǒng)硬件框圖,8-bit MCU60KB Flash2KB RAM64-LQFP,CS5464計量,,,脈沖,方向,RS485,,,RX,TX,EEPROM,,,IIC,,,,,,,TPM,GPIO,SCI,IIC/GPIO,紅外,,,RX,38KHz,,,+5V,,,GND,RTC

4、8025T,,,,,TPM,電池,ADC,,,告警,GPIO,,GPIO,時鐘標定,電源,,,+5V,GND,,掉電,GPIO,,,,,開關檢測,,,,,,,,,,,,,ADC,,,,,,繼電器,,,電量指示,跳閘,,,,,PLC,,,RX,TX,,,+12V,+5V,CPU/RF卡,,ISO7816 x2,,時鐘,SCI,TPM,片外LCD驅動 (IIC),ESAM,+,,SPI,,,,,4,PCB模塊組成,主板主電源, CPU

5、, 開關按鍵,時鐘, 數(shù)據(jù)存儲器,ESAM, PLC/485抄表,計量板計量電路電源控制繼電器,顯示板液晶顯示狀態(tài)LED, 紅外抄表,IC卡擴展預付費IC卡,,,,4塊印刷線路板模塊化結構,5,電源設計,6,電源設計要點,MCU主板和前端計量板直接共地!簡化CS5464信號連接，不然需要7-8個光藕隔離提高CS5464 SPI的通訊速度(接近2M) 交流供電和電池供電通過簡單的二極管通路切換交流供電時，78

6、05輸出的5V一路直接供給無需電池備份工作的電路；另一路由D2供給其它需要電池備份工作的電路，此路電壓為4.3V。電池供電時，電池電壓通過D1和QP1組合供電給MCU, LCD, EEPROM和RTC。QP1的作用是消除D1上的導通壓降損失。交流掉電檢測對交流整流濾波后的直流電壓用最簡單的電阻分壓取樣取樣電壓直接送至單片機的ADC模塊進行掉電檢測基于單片機ADC模塊的硬件自動比較功能，軟件零開銷電池電壓檢測用分壓電阻取

7、樣電池電壓(1/2 Vbat)，送單片機ADC實測電壓值取樣電路由單獨的MCU引腳控制，保證絕大部分時間取樣電阻不消耗電池電源省去了一般設計用于掉電檢測和電池檢測的電壓比較器,7,實時時鐘,RX8025T，MCU通過I2C總線控制，讀取時鐘參數(shù)配置輸出秒信號，經光耦輸出后用于外部校時秒信號輸出和其他功能輸出復用，由MCU軟件控制秒信號直接輸入至單片機的一路TPM通道進行捕捉，實現(xiàn)單片機自身內部時鐘的頻率校準,8,數(shù)據(jù)存儲,6

8、4K字節(jié)EEPROM為主可改換其他小容量的芯片電池備份工作附設2M字節(jié)串行Flash擴充Flash由3.6V輸出的LDO供電，和4.3V工作的MCU間無需額外電平轉換無電池備份工作,9,液晶顯示,液晶驅動芯片為BU9792I2C總線控制最多144段驅動電池備份工作靈活的對比度控制交流供電時，MCU實測自身VDD后通過一路PWM輸出可調電壓，動態(tài)調整對比度電池供電時，PWM輸出改為數(shù)字IO輸出，和另一路IO聯(lián)合調

9、整對比度，滿足2.8-3.6V范圍的對比度要求背光控制由MCU IO控制實現(xiàn),10,電量計量,11,計量部分要點,采用 Cirrus Logic 公司的 CS5464 為計量芯片提供一路電壓和兩路電流的實時測量 正反向電量計量MCU通過SPI總線對芯片進行配置和數(shù)據(jù)讀取電流／電壓／功率為寄存器直讀通過SPI通訊獲取電量計量信號為數(shù)字輸出電量脈沖 – MCU中斷捕獲并計數(shù)電量方向 – MCU查詢MCU軟件配合實

10、現(xiàn)軟件校表電流和電壓的零偏校準兩路電流的增益匹配電流／電壓／功率的讀數(shù)標定電量脈沖的輸出頻率,12,ESAM和IC卡接口,ESAM位于主控板上ISO-7816雙向數(shù)據(jù)由MCU的一路TPM通道模擬實現(xiàn)1-5MHz時鐘由MCU直接控制提供MCU有可編程時鐘輸出功能ESAM電路電源可控IC卡部分設計為外擴連接端子提供5V供電電壓提供全雙工的串行通訊TX/RX接口，由MCU的TPM通道模擬實現(xiàn)提供1-5MHz時鐘信號

11、另外提供3個普通IO信號注：由于MCU部分沒有和電網(wǎng)隔離，為安全起見，IC卡讀卡電路需要考慮和MCU電氣隔離。上面提供的各類電氣信號能完全滿足實現(xiàn)這一隔離要求。,13,RS485通訊,RS485通訊支持最高速率19200bps適當提高光耦的驅動電流以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸TX/RX由MCU的一個SCI模塊驅動,14,紅外通訊,紅外抄表通訊支持1200/2400 bps由MCU的TPM通道模擬實現(xiàn)紅外發(fā)送用TPM的PWM功能直接

12、輸出38KHz載波對數(shù)據(jù)位進行調制紅外接收則由AT138進行紅外解調后由TPM的捕捉/比較功能實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)接收,15,載波通訊,載波通訊提供載波模塊插槽MCU提供/處理載波模塊所屬的全部數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)MCU和載波模塊之間的9600bps串行通信基于片上硬件SCI模塊,16,按鍵和開蓋檢測,提供兩個按鍵輸入檢測提供兩個開蓋信號檢測防靜電設計低功耗考慮低電平由MCU控制驅動只在檢測瞬間消耗少許電流電池備份工作時維持檢測

13、,17,系統(tǒng)軟件實現(xiàn)框圖,主控模塊任務調度,電量計量,預付費,顯示驅動,時鐘模塊,645規(guī)約抄表,數(shù)據(jù)存儲,紅外通訊驅動,RS485通訊驅動,載波通訊驅動,按鍵開關檢測,底層I2C驅動,,ESAM／IC卡驅動,,,,,,,,,,,,,,,,,,18,軟件編程實現(xiàn)要點,MCU基于片內時鐘工作用RTC秒信號實時標定，保證大批量長時間的穩(wěn)定性和一致性充分利用片內所有的RAM空間，任務運行采用內存動態(tài)分配只在需要時申請內

14、存塊，用完即返還避免任務死占內存，提高內存使用效率事件驅動，多任務協(xié)調：基于分時輪循和狀態(tài)機控制的多任務處理確保任務運行無阻塞能夠實現(xiàn)任務的動態(tài)建立和刪除針對偶發(fā)運行的任務，例如：抄表，讀卡，電池電壓檢測等避免過多的輪循，集中MCU的處理能力運行關鍵任務電池備份工作時MCU進入低功耗休眠模式由實時計數(shù)器定時喚醒，喚醒間隔可編程喚醒后進行交流供電、按鍵開關和電池電壓等狀態(tài)檢測平均功耗 7uA附帶Boot-lo

15、ader功能，通過RS485可以在線升級軟件僅適用于調試目的C語言編程,19,結論,60KB Flash,2KB RAM的8位單片機基本滿足目前國網(wǎng)單相表主流型號的設計同時具備引腳和內核完全兼容的型號，方便設計向上升級充分合理地利用MCU固有片上資源可以簡化系統(tǒng)設計，降低系統(tǒng)成本功能完善的參考設計方案可以大大加快客戶產品化的設計進程,,飛思卡爾系列產品 - 9S08MZ60/96/128，針對國網(wǎng)單相表設計,2.7~5.

16、5V / -40~85°工作范圍MZ系列產品引腳兼容,,內核 & 內存,MZ60/96/128,S08 Core / 20MHz,,Flash60/96/128KB,RAM2/6/8KB,時鐘管理,內部時鐘發(fā)生器 (ICG),,8-bit Peripheral Bus,電源管理,Voltage Regulator,Power-On Reset,Brown-Out Detector,,,模擬模塊,16-ch 8-b