基于單片機和半導體的單相遠程費控智能電表設計

??????? 本文給出了基于RENESAS半導體公司的R5F212B8SNFP為MCU的一款新型單相遠程費控智能電表的設計。

　　1系統功能設計

　　1.1總體結構

　　基于RENESAS半導體的單片機R5F212B8SNFP(以下簡稱2B8)完成單相遠程費控智能電表設計，其功能：648k字節(jié)Flash閃速存儲器，3k字節(jié)內部RAM，45個可編程CMOS I/O口，可選擇上拉電阻，2個專用輸入口，6個位定時/計數器，5個外部中斷，23個內部中斷，4個軟件中斷，7級中斷結構，3個全雙工串行通信口，16位硬件乘法器，片內高低速振蕩器及時鐘電路，2種低功耗電工作方式。是一個比較適合于國網智能電表開發(fā)的高性價比單片機。

　　該智能電能表功能設計主要包括9大模塊：電壓和電流檢測，電能計量電路RN8209計量模塊;64 K容量的串行存儲24LC512存儲模塊;字符組合顯示的HL9576液晶顯示模塊;內置溫度補償功能串行時鐘RX8025T時鐘模塊;遠程控制實現加密解密ESAM模塊;紅外IR無線通訊和RS485總線通訊電路模塊;各種信息輸出的輸出電路模塊;為各工作模塊提供工作電源的電源模塊;為各模塊協調工件的主MCU 2B8控制模塊?？傮w結構如圖1所示。

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　　1.2電能計量模塊

　　遠程費控智能電表電能計量采用國產RN8209芯片，精度高、可靠性強。RN8209能夠測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，并能提供2路獨立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線頻率、過零中斷等，可以實現靈活的防竊電方案。支持全數字的增益、相位和Offset校正。有功、無功電能脈沖分別從PF、QF管腳輸出。內部的電源監(jiān)控電路可以保證上電和斷電時芯片的可靠工作。

　　提供串行SPI與MCU 2B8之間通訊。MCU可通過SPI口實時讀取電表運行參數，在發(fā)生異常時，進行事件記錄，等待遠程主站系統的查詢。

　　1.3通訊模塊

　　本設計中主要采用了2種通訊方式來實現通訊功能，分別是：RS-485和紅外IR傳輸。考慮到智能電表會安裝在戶外，因此需要在RS-485總線接口上加上避雷的保護措施。采用的RS-485接口芯片是ISL3152芯片，通過光耦NEC2501和單片機系統進行隔離，從而防止遭遇雷擊時，對整個系統造成破壞。

　　主MCU通過異步串行通訊接口UART且通過光耦隔離與RS-485接口芯片ISL3152相連，智能電表通過RS485總線與遠程主站系統相連，每只智能電表都有一個確定的唯一的12位十進制通訊地址，主站系統采用DL/T645—2007協議下發(fā)命令信息，智能電能表接收到與自己地址匹配的信息，便把應答信息及其校驗碼打包向上傳送給遠程主站系統，實現數據回抄。

　　紅外通信時如果直接將數據通過紅外發(fā)射管進行傳輸時，將會嚴重受到外界環(huán)境的干擾，常見的抗干擾方法是將需要傳輸的數據調制到30～40 kHz的載波上再進行發(fā)送。2B8單片機的定時器管腳可輸出低頻38 kHz的載波。通過單片機的UART口的TXD腳驅動另一個串聯的三極管進行二進制數據信號“0”和“1”的傳輸，從而達到紅外數據發(fā)送的功能。在紅外接收部分，利用紅外一體化接收模塊HM238R解調高頻紅外信號。當HM238R接收到高頻紅外信號時，接收管輸出低電平;當HM238R沒有接收到高頻信號時，接收管將輸出高電平。經接收管紅外解調后的數據通過UART口的RXD管腳輸入單片機進行相應的處理。

　　1.4存儲模塊

　　智能電表的功能眾多，實現復雜，在運行過程中會產生大量的數據，如12月歷史電量數據、事件記錄數據、凍結量數據等。所選用的存儲芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時間長，功耗低。所以采用美國MICROCHIP公司的24LC512低功耗串行存儲器芯片，采用I2C接口與MCU通訊，待機電流和工作電流分別是1μA和1 mA，存儲容量達到64 K字節(jié)，10萬次擦寫次數，數據保存時間超過200年。

　　1.5時鐘模塊

　　時鐘電路采用EPSON公司的RX8205T芯片完成，它是一種支持I2C總線的低功耗時鐘芯片，具有很高的精度，內置溫度補償晶振，可在寬溫范圍內實現精確計時，和目前在電表領域得到廣泛應用的EPSON RX-8025SA引腳兼容，它按照CPU經外部通訊口接收到的校時數據來設置時鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時。通過2線I2C方式與CPU連接，SDA腳和SCL腳分別與2B8的引腳相連，并有2個中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖，單片機系統每250 ms通過I2C通訊接口讀取當前的時間，計算出該時刻所屬的時段，實現多費率電能表的分時段計量電能。該時鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時有主電源Vcc供電;當出現停電時，自動切換鋰電池為時鐘電路供電，即使停電，時鐘走時也準確。

　　1.6液晶顯示

　　國網智能電表要求電表能夠支持液晶LCD顯示運行信息。顯示模塊采用上海復控華龍公司的HL9576 LCD顯示驅動芯片，功耗低，同樣采用I2C接口，通過SDA腳和SCL腳與2B8的引腳相連，接收2B8下發(fā)的顯示數據來驅動液晶顯示屏顯示。通過液晶上的各種顯示字符組合來顯示電表各種運行信息，從而方便用戶使用。

　　1.7電源模塊

　　由于智能電表要求能夠停電喚醒，智能電表的電源供給：一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是由在主電源無效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿足電表MCU、時鐘芯片和液晶顯示的需要。

　　1.8輸出模塊

　　與以前使用的電能表不同，智能電表輸出的LED指示燈的功能也不相同。拉閘指示燈用來指示用戶負載的切斷與否，報警指示燈用來指示電表運行中發(fā)生的異常，電表運行脈沖指示LED用來指示用戶用電，脈沖輸出用來校表及計量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/O加光耦隔離實現。

1.9 ES AM模塊

　　ESAM安全模塊的應用是和各種專用或通用智能設備相關的，對于所有需要身份認證、數據加密/解密、安全存儲、通訊保密等較高數據安全要求的產品和應用系統，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨到的安全控制作用。

　　對于單相遠程費控智能電表而言，電費的計算在遠程售電系統中完成，表內不存儲、顯示與電費、電價相關的信息。電能表接收遠程售電系統下發(fā)的拉閘、允許合閘、ESAM數據抄讀指令時，需通過嚴格的密碼驗證及安全認證?？梢?，在智能電表中ESAM模塊只負責完成安全認證和數據的存儲，此模塊可在國家電網公司設置完畢后，提供給表廠安裝在智能電表中。今后的數據存取以及密鑰的安全認證過程都在遠程主站系統與智能電表中的ESAM模塊之間進行，與表中的微控制器無關，微控制器仍然由表廠負責設計，完成智能電表的功能。這樣既實現了系統的安全性由運行管理方控制，又不妨礙表廠繼續(xù)發(fā)展和完善智能電表的功能和性能。是一種較為理想的方案。

　　2系統工作原理

　　2B8實時檢測系統供電的狀態(tài)，當上電檢測模擬端口檢測到外部220 V供電時，系統啟動內部主時鐘全速運行，通過SPI口與計量RN8209通訊，實時讀取電表運行的狀態(tài)內容，如實時電壓、電流值、功率、功率因數等，并判斷是否在正常工作范圍內，如出現異常，通過I2C與RX8025T通訊，讀取此刻時間，然后將這些數據通過I2C通訊存儲到24LC512中，以備主站系統查詢，同時報警指示燈報警，通過I2C通訊將實時數據傳輸到HL9576內并顯示在LCD液晶屏上。智能電表運行過程中，不斷讀取RX8025T的時間值，來判斷是否可進入下一費率時段運行，進行時段投切。

　　當智能電表接收到紅外或485通訊信道下發(fā)格式DL/T645—2007的命令數據，電表通過規(guī)約解析，通過I2C通訊讀取24LC512中的數據，打包后通過紅外或485通訊信道上傳。如485通訊信道接收到遠程主站系統下發(fā)的加密費控命令，2B8會將此數據傳送給ESAM模塊進行解密分析，成功后返回給2B8，通過命令分析2B8執(zhí)行相應的費控操作。外部220 V供電消失后，系統電源切換到備用鋰電池電源，關閉內部高速時鐘，啟動低速時鐘，關閉外圍功能，進入低功耗工作狀態(tài)。

　　3結語

　　這款基于RENESAS半導體的單相遠程費控智能電表設計，能根據不同的時段設置，實現電能分時計量，存儲大量電表運行數據，便于智能電網的運行分析，采用RS485串行通訊，實現電量自動回抄，實時校時，接收遠程主站系統下發(fā)的費控命令，經EASM驗證實現費控功能。