基于半導(dǎo)體的單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)

本文給出了基于RENESAS半導(dǎo)體公司的R5F212B8SNFP為MCU的一款新型單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

基于RENESAS半導(dǎo)體的單片機(jī)R5F212B8SNFP(以下簡稱2B8)完成單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)，其功能：648k字節(jié)Flash閃速存儲器，3k字節(jié)內(nèi)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(jì)數(shù)器，5個外部中斷，23個內(nèi)部中斷，4個軟件中斷，7級中斷結(jié)構(gòu)，3個全雙工串行通信口，16位硬件乘法器，片內(nèi)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(wǎng)智能電表開發(fā)的高性價比單片機(jī)。

該智能電能表功能設(shè)計(jì)主要包括9大模塊：電壓和電流檢測，電能計(jì)量電路RN8209計(jì)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(nèi)置溫度補(bǔ)償功能串行時鐘RX8025T時鐘模塊;遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)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(xié)調(diào)工件的主MCU 2B8控制模塊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2電能計(jì)量模塊

遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表電能計(jì)量采用國產(chǎn)RN8209芯片，精度高、可靠性強(qiáng)。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(dú)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(shí)現(xiàn)靈活的防竊電方案。支持全數(shù)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(nèi)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(shí)時讀取電表運(yùn)行參數(shù)，在發(fā)生異常時，進(jìn)行事件記錄，等待遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)的查詢。

1.3通訊模塊

本設(shè)計(jì)中主要采用了2種通訊方式來實(shí)現(xiàn)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(hù)措施。采用的RS-485接口芯片是ISL3152芯片，通過光耦NEC2501和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，從而防止遭遇雷擊時，對整個系統(tǒng)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(yuǎn)程主站系統(tǒng)相連，每只智能電表都有一個確定的唯一的12位十進(jìn)制通訊地址，主站系統(tǒng)采用DL/T645—2007協(xié)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(yīng)答信息及其校驗(yàn)碼打包向上傳送給遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回抄。

紅外通信時如果直接將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射管進(jìn)行傳輸時，將會嚴(yán)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?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到30～40 kHz的載波上再進(jìn)行發(fā)送。2B8單片機(jī)的定時器管腳可輸出低頻38 kHz的載波。通過單片機(jī)的UART口的TXD腳驅(qū)動另一個串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號“0”和“1”的傳輸，從而達(dá)到紅外數(shù)據(jù)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(diào)高頻紅外信號。當(dāng)HM238R接收到高頻紅外信號時，接收管輸出低電平;當(dāng)HM238R沒有接收到高頻信號時，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過UART口的RXD管腳輸入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1.4存儲模塊

智能電表的功能眾多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如12月歷史電量數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、凍結(jié)量數(shù)據(jù)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(jī)電流和工作電流分別是1μA和1 mA，存儲容量達(dá)到64 K字節(jié)，10萬次擦寫次數(shù)，數(shù)據(jù)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(nèi)置溫度補(bǔ)償晶振，可在寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時，和目前在電表領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的EPSON RX-8025SA引腳兼容，它按照CPU經(jīng)外部通訊口接收到的校時數(shù)據(jù)來設(shè)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(bào)警引腳可設(shè)置為輸出秒或分同步脈沖，單片機(jī)系統(tǒng)每250 ms通過I2C通訊接口讀取當(dāng)前的時間，計(jì)算出該時刻所屬的時段，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的分時段計(jì)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(dāng)出現(xiàn)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(zhǔn)確。