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? Freescale Semiconductor 2005 Freescale Semiconductor ? Freescale Semiconductor 2005 单相智能电表设计方案 内容简介 国网新规约单相表设计特点 基本计量功能增加 计量正反向有功电量 测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至还有功率因数 费控功能复杂 支持IC卡本地费控或载波远程费控 支持时段电价或阶梯电价 增加ESAM芯片保证费控部分的数据安全性 多种抄表通讯模式 红外，RS485和电力线载波 外壳模具统一 液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置完全固定。 电子线路布局布线的灵活性受到极大限制 功能庞杂 除电量计量外增加了大量的管理功能 国网单相表系统硬件框图 PCB模块组成 电源设计 电源设计要点 MCU主板和前端计量板直接共地! 简化CS5464信号连接，不然需要7-8个光藕隔离 提高CS5464 SPI的通讯速度(接近2M) 交流供电和电池供电通过简单的二极管通路切换 交流供电时，7805输出的5V一路直接供给无需电池备份工作的电路；另一路由D2供给其它需要电池备份工作的电路，此路电压为4.3V。 电池供电时，电池电压通过D1和QP1组合供电给MCU, LCD, EEPROM和RTC。QP1的作用是消除D1上的导通压降损失。 交流掉电检测 对交流整流滤波后的直流电压用最简单的电阻分压取样 取样电压直接送至单片机的ADC模块进行掉电检测 基于单片机ADC模块的硬件自动比较功能，软件零开销 电池电压检测 用分压电阻取样电池电压(1/2 Vbat)，送单片机ADC实测电压值 取样电路由单独的MCU引脚控制，保证绝大部分时间取样电阻不消耗电池电源 省去了一般设计用于掉电检测和电池检测的电压比较器 实时时钟 RX8025T，MCU通过I2C总线控制，读取时钟参数 配置输出秒信号，经光耦输出后用于外部校时 秒信号输出和其他功能输出复用，由MCU软件控制 秒信号直接输入至单片机的一路TPM通道进行捕捉，实现单片机自身内部时钟的频率校准 数据存储 64K字节EEPROM为主 可改换其他小容量的芯片 电池备份工作 附设2M字节串行Flash扩充 Flash由3.6V输出的LDO供电，和4.3V工作的MCU间无需额外电平转换 无电池备份工作 液晶显示 液晶驱动芯片为BU9792 I2C总线控制 最多144段驱动 电池备份工作 灵活的对比度控制 交流供电时，MCU实测自身VDD后通过一路PWM输出可调电压，动态调整对比度 电池供电时，PWM输出改为数字IO输出，和另一路IO联合调整对比度，满足2.8-3.6V范围的对比度要求 背光控制 由MCU IO控制实现 电量计量 计量部分要点 采用 Cirrus Logic 公司的 CS5464 为计量芯片 提供一路电压和两路电流的实时测量 正反向电量计量 MCU通过SPI总线对芯片进行配置和数据读取 电流／电压／功率为寄存器直读 通过SPI通讯获取 电量计量信号为数字输出 电量脉冲 – MCU中断捕获并计数 电量方向 – MCU查询 MCU软件配合实现软件校表 电流和电压的零偏校准 两路电流的增益匹配 电流／电压／功率的读数标定 电量脉冲的输出频率 ESAM和IC卡接口 ESAM位于主控板上 ISO-7816双向数据由MCU的一路TPM通道模拟实现 1-5MHz时钟由MCU直接控制提供 MCU有可编程时钟输出功能 ESAM电路电源可控 IC卡部分设计为外扩连接端子 提供5V供电电压 提供全双工的串行通讯TX/RX接口，由MCU的TPM通道模拟实现 提供1-5MHz时钟信号 另外提供3个普通IO信号 注：由于MCU部分没有和电网隔离，为安全起见，IC卡读卡电路需要考虑和MCU电气隔离。上面提供的各类电气信号能完全满足实现这一隔离要求。 RS485通讯 RS485通讯 支持最高速率19200bps 适当提高光耦的驱动电流以满足高速数据传输 TX/RX由MCU的一个SCI模块驱动 红外通讯 红外抄表通讯 支持1200/2400 bps 由MCU的TPM通道模拟实现 红外发送用TPM的PWM功能直接输出38KHz载波对数据位进行调制 红外接收则由AT138进行红外解调后由TPM的捕捉/比较功能实现串行数据接收 载波通讯 载波通讯 提供载波模块插槽 MCU提供/处理载波模块所属的全部数据信号 实现MCU和载波模块之间的9600bps串行通信 基于片上硬件SCI模块 按键和开盖检测 提供两个按键输入检测 提供两个开盖信号检测 防静电设计 低功耗考虑 低电平由MCU控制驱动 只在检测瞬间消耗少许电流 电池备份工作时维持检测 系统软件实现框图 软件编程实现要点 MCU