基于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。總體結構如圖1所示。

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?？紤]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。