基于飞思卡尔9S08MZ60单片机的国网单相表设计实现解析.docx

基于飞思卡尔9S08MZ60单片机的国网单相表设计实现张明峰飞思卡尔半导体（中国）有限公司技术销售经理随着中国国家电网公司于2009年年底正式推出了酝酿已久的电表设计统一招标方案之后，整个中国电表行业掀起了一轮全新的设计热潮，以求在最短的时间内设计出完全符合国网新规约的各种电表。由于此新规约较以往的设计相比增加了很多全新的技术要求，由此给不少厂家带来了设计方面的诸多挑战。面对这样的一个市场需求，飞思卡尔公司结合自己单片机产品的特点和电表设计的具体要求，及时推出了一款完全按国网单相多功能表要求设计的完整解决方案，以方便用户进行整体性能的综合评估，并以此为参考来加快自有产品的设计和开发。我们在这里就该方案做一些简要介绍。系统实现基础该方案的核心是飞思卡尔专门针对中国电表市场而推出的系列芯片中最主要的一款8位单片机9S08MZ60，它基于飞思卡尔目前主打的S08内核，片内有60K的程序空间和2K的RAM空间，外加功能完善的内部时钟模块；主要的片上外设包括：64引脚封装所提供的55个IO端口；2路硬件异步串口；三个16位定时计数器，总计支持多达10路引脚通道时间控制，其中任意一路均可以通过软件配置成输入脉冲沿捕捉、定时比较电平输出或PWM脉宽调制；带总共16路输入的8位ADC；另外硬件SPI和I2C模块各一个；还有一个8位的实时计数器可以在芯片休眠时维持定时计数并唤醒MCU；内部总线最高运行速度达20MHz。片上自带在线调试模块，开发调试高效方便。?本设计方案中充分利用了几乎所有上述模块的硬件固有功能，最大限度地简化外围设计，在保证整体设计功能满足性能最优的同时，降低系统成本。其中：MCU工作于内部时钟，摒弃了传统的片外晶体振荡，简化电路，提高可靠性。内部时钟振荡的精度和稳定度通过运行过程中的动态标定来保证。2路硬件串口分别用于485抄表和电力线载波通讯。因这两路的通讯波特率最高都是9600bps，用硬件串口实现比较容易；16位定时器及其所附的引脚通道实现多种重要功能。首先是产生一个1ms间隔的系统时间节拍，用于所有软件任务的普通定时控制；通道的作用一是实现脉冲输入捕捉，例如检测计量芯片输出的电量脉冲；二是和软件配合模拟实现相对低速的异步串行通讯，这其中包括红外抄表通讯，ESAM和IC卡的ISO7816通讯；ADC模块完成两个重要任务，一是对电池电压的监测，二是交流掉电和交流恢复供电的状态检测；硬件SPI模块则用于和前端计量芯片通讯，节约软件开销；8位的实时计数器在交流掉电后芯片进入低功耗休眠状态时维持工作，用来周期性地唤醒MCU，定时检测并记录开盖、按键、电池电压和交流恢复等状态；唯一没有用到的是硬件I2C模块，本设计中用芯片的普通IO引脚模拟I2C通讯。这主要是考虑硬件布线的方便，同时因为当工作于主模式时，硬件I2C模块驱动和纯软件模拟的代码开销差不了多少。当然，针对本次特定的国网单相表新规约设计，除了MCU外还需其它一些芯片配合实现一些关键功能，其中：计量部分目前设计采用Cirrus Logic的CS5464实现，理论上也支持其它同类的带SPI接口的计量芯片；实时时钟则采用业界流行的RTC8025T；EEPROM为24LC512，具体容量可按实际需要选择；液晶驱动芯片用的是BU9792。综合考虑设计实现的方便性和灵活性，我们将整个设计分解成四个独立的硬件模块，它们分别是：主板。包含主电源和电池供电系统；MCU、实时时钟、数据存储和ESAM等关键芯片；隔离的485抄表通讯电路；PLC模块接口；开关和按键输入等计量板。包含计量电路和断路控制继电器。只要改动此计量板，就可以评估不同的计量芯片；显示板。包含液晶屏及其驱动电路；电表的状态指示LED；红外抄表接口；IC卡读卡部分。包含IC卡座及其必要的读卡电路。主板和其他模块板之间都通过插针接口互联。电源部分设计考虑本设计采用变压器降压供电，次级两个绕组输出。一个绕组提供峰值电流1.5A / 12V电源。12V直接提供给PLC模块；同时经7805稳压后一路直接供无需电池备份工作的电路，例如计量芯片，红外发射，ESAM等，另一路则通过二极管D2，合并来自二极管D1的电池供电回路，供给MCU，实时时钟，EEPROM等需电池备份工作的电路。变压器次级另一个绕组则提供独立电源给隔离485通讯部分使用。模拟计量部分和MCU电路是共地的且浮在电网上。这样做的好处是可以省去计量芯片和MCU之间繁杂的隔离，简化硬件电路设计，同时MCU可以用高速SPI和计量芯片进行数据通讯，提高了软件运行效率。但同时也带来一个安全性的问题，就是在设计IC卡读卡模块时，整个模块要和MCU部分完全隔离以保证用户人身安全。当然如果所设计的电表为非IC卡插卡预付费型，或使用非接触射频IC卡，则就无需考虑额外的电路隔离了。12V电压