單相智能電表設(shè)計(jì)方案

1、單相智能電表設(shè)計(jì)方案,1,設(shè)計(jì)要求回顧 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)軟件架構(gòu) 結(jié)論,內(nèi)容簡(jiǎn)介,2,國(guó)網(wǎng)新規(guī)約單相表設(shè)計(jì)特點(diǎn),基本計(jì)量功能增加計(jì)量正反向有功電量測(cè)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(fèi)控功能復(fù)雜支持IC卡本地費(fèi)控或載波遠(yuǎn)程費(fèi)控支持時(shí)段電價(jià)或階梯電價(jià)增加ESAM芯片保證費(fèi)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(jì)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(kuò)充或移植的靈活性5V芯片大大方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)模塊由此，MCU應(yīng)該是：8位內(nèi)核，5V

3、接口52或更多引腳封裝60K或更多Flash2K或更多RAM無(wú)需片上LCD驅(qū)動(dòng)足夠的片上串行通訊口足夠的片上定時(shí)器,,3,國(guó)網(wǎng)單相表系統(tǒng)硬件框圖,8-bit MCU60KB Flash2KB RAM64-LQFP,CS5464計(jì)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(shí)鐘標(biāo)定,電源,,,+5V,GND,,掉電,GPIO,,,,,開(kāi)關(guān)檢測(cè),,,,,,,,,,,,,ADC,,,,,,繼電器,,,電量指示,跳閘,,,,,PLC,,,RX,TX,,,+12V,+5V,CPU/RF卡,,ISO7816 x2,,時(shí)鐘,SCI,TPM,片外LCD驅(qū)動(dòng) (IIC),ESAM,+,,SPI,,,,,4,PCB模塊組成,主板主電源, CPU

5、, 開(kāi)關(guān)按鍵,時(shí)鐘, 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,ESAM, PLC/485抄表,計(jì)量板計(jì)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(kuò)展預(yù)付費(fèi)IC卡,,,,4塊印刷線路板模塊化結(jié)構(gòu),5,電源設(shè)計(jì),6,電源設(shè)計(jì)要點(diǎn),MCU主板和前端計(jì)量板直接共地!簡(jiǎn)化CS5464信號(hào)連接，不然需要7-8個(gè)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(guò)簡(jiǎn)單的二極管通路切換交流供電時(shí)，78

6、05輸出的5V一路直接供給無(wú)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(shí)，電池電壓通過(guò)D1和QP1組合供電給MCU, LCD, EEPROM和RTC。QP1的作用是消除D1上的導(dǎo)通壓降損失。交流掉電檢測(cè)對(duì)交流整流濾波后的直流電壓用最簡(jiǎn)單的電阻分壓取樣取樣電壓直接送至單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行掉電檢測(cè)基于單片機(jī)ADC模塊的硬件自動(dòng)比較功能，軟件零開(kāi)銷(xiāo)電池電壓檢測(cè)用分壓電阻取

7、樣電池電壓(1/2 Vbat)，送單片機(jī)ADC實(shí)測(cè)電壓值取樣電路由單獨(dú)的MCU引腳控制，保證絕大部分時(shí)間取樣電阻不消耗電池電源省去了一般設(shè)計(jì)用于掉電檢測(cè)和電池檢測(cè)的電壓比較器,7,實(shí)時(shí)時(shí)鐘,RX8025T，MCU通過(guò)I2C總線控制，讀取時(shí)鐘參數(shù)配置輸出秒信號(hào)，經(jīng)光耦輸出后用于外部校時(shí)秒信號(hào)輸出和其他功能輸出復(fù)用，由MCU軟件控制秒信號(hào)直接輸入至單片機(jī)的一路TPM通道進(jìn)行捕捉，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自身內(nèi)部時(shí)鐘的頻率校準(zhǔn),8,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),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(shè)2M字節(jié)串行Flash擴(kuò)充Flash由3.6V輸出的LDO供電，和4.3V工作的MCU間無(wú)需額外電平轉(zhuǎn)換無(wú)電池備份工作,9,液晶顯示,液晶驅(qū)動(dòng)芯片為BU9792I2C總線控制最多144段驅(qū)動(dòng)電池備份工作靈活的對(duì)比度控制交流供電時(shí)，MCU實(shí)測(cè)自身VDD后通過(guò)一路PWM輸出可調(diào)電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)比度電池供電時(shí)，PWM輸出改為數(shù)字IO輸出，和另一路IO聯(lián)合調(diào)

9、整對(duì)比度，滿(mǎn)足2.8-3.6V范圍的對(duì)比度要求背光控制由MCU IO控制實(shí)現(xiàn),10,電量計(jì)量,11,計(jì)量部分要點(diǎn),采用 Cirrus Logic 公司的 CS5464 為計(jì)量芯片提供一路電壓和兩路電流的實(shí)時(shí)測(cè)量 正反向電量計(jì)量MCU通過(guò)SPI總線對(duì)芯片進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取電流／電壓／功率為寄存器直讀通過(guò)SPI通訊獲取電量計(jì)量信號(hào)為數(shù)字輸出電量脈沖 – MCU中斷捕獲并計(jì)數(shù)電量方向 – MCU查詢(xún)MCU軟件配合實(shí)

10、現(xiàn)軟件校表電流和電壓的零偏校準(zhǔn)兩路電流的增益匹配電流／電壓／功率的讀數(shù)標(biāo)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(shí)現(xiàn)1-5MHz時(shí)鐘由MCU直接控制提供MCU有可編程時(shí)鐘輸出功能ESAM電路電源可控IC卡部分設(shè)計(jì)為外擴(kuò)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(shí)現(xiàn)提供1-5MHz時(shí)鐘信號(hào)

11、另外提供3個(gè)普通IO信號(hào)注：由于MCU部分沒(méi)有和電網(wǎng)隔離，為安全起見(jiàn)，IC卡讀卡電路需要考慮和MCU電氣隔離。上面提供的各類(lèi)電氣信號(hào)能完全滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)這一隔離要求。,13,RS485通訊,RS485通訊支持最高速率19200bps適當(dāng)提高光耦的驅(qū)動(dòng)電流以滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸TX/RX由MCU的一個(gè)SCI模塊驅(qū)動(dòng),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(shí)現(xiàn)紅外發(fā)送用TPM的PWM功能直接

12、輸出38KHz載波對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行調(diào)制紅外接收則由AT138進(jìn)行紅外解調(diào)后由TPM的捕捉/比較功能實(shí)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(hào)實(shí)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(kāi)蓋檢測(cè),提供兩個(gè)按鍵輸入檢測(cè)提供兩個(gè)開(kāi)蓋信號(hào)檢測(cè)防靜電設(shè)計(jì)低功耗考慮低電平由MCU控制驅(qū)動(dòng)只在檢測(cè)瞬間消耗少許電流電池備份工作時(shí)維持檢測(cè)

13、,17,系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)框圖,主控模塊任務(wù)調(diào)度,電量計(jì)量,預(yù)付費(fèi),顯示驅(qū)動(dòng),時(shí)鐘模塊,645規(guī)約抄表,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),紅外通訊驅(qū)動(dòng),RS485通訊驅(qū)動(dòng),載波通訊驅(qū)動(dòng),按鍵開(kāi)關(guān)檢測(cè),底層I2C驅(qū)動(dòng),,ESAM／IC卡驅(qū)動(dòng),,,,,,,,,,,,,,,,,,18,軟件編程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn),MCU基于片內(nèi)時(shí)鐘工作用RTC秒信號(hào)實(shí)時(shí)標(biāo)定，保證大批量長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性和一致性充分利用片內(nèi)所有的RAM空間，任務(wù)運(yùn)行采用內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配只在需要時(shí)申請(qǐng)內(nèi)

14、存塊，用完即返還避免任務(wù)死占內(nèi)存，提高內(nèi)存使用效率事件驅(qū)動(dòng)，多任務(wù)協(xié)調(diào)：基于分時(shí)輪循和狀態(tài)機(jī)控制的多任務(wù)處理確保任務(wù)運(yùn)行無(wú)阻塞能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)建立和刪除針對(duì)偶發(fā)運(yùn)行的任務(wù)，例如：抄表，讀卡，電池電壓檢測(cè)等避免過(guò)多的輪循，集中MCU的處理能力運(yùn)行關(guān)鍵任務(wù)電池備份工作時(shí)MCU進(jìn)入低功耗休眠模式由實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)喚醒，喚醒間隔可編程喚醒后進(jìn)行交流供電、按鍵開(kāi)關(guān)和電池電壓等狀態(tài)檢測(cè)平均功耗 7uA附帶Boot-lo

15、ader功能，通過(guò)RS485可以在線升級(jí)軟件僅適用于調(diào)試目的C語(yǔ)言編程,19,結(jié)論,60KB Flash,2KB RAM的8位單片機(jī)基本滿(mǎn)足目前國(guó)網(wǎng)單相表主流型號(hào)的設(shè)計(jì)同時(shí)具備引腳和內(nèi)核完全兼容的型號(hào)，方便設(shè)計(jì)向上升級(jí)充分合理地利用MCU固有片上資源可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本功能完善的參考設(shè)計(jì)方案可以大大加快客戶(hù)產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)進(jìn)程,,飛思卡爾系列產(chǎn)品 - 9S08MZ60/96/128，針對(duì)國(guó)網(wǎng)單相表設(shè)計(jì),2.7~5.

16、5V / -40~85°工作范圍MZ系列產(chǎn)品引腳兼容,,內(nèi)核 & 內(nèi)存,MZ60/96/128,S08 Core / 20MHz,,Flash60/96/128KB,RAM2/6/8KB,時(shí)鐘管理,內(nèi)部時(shí)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