国网单相智能电表设计方案探讨

飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.TM国网单相智能电表设计方案探讨张明峰飞思卡尔半导体技术销售经理飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.1TM¾设计要求回顾¾系统硬件实现¾系统软件架构¾结论内容简介飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.2TM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。ƒ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►选择带片上LCD的MCU？•MCU上需要太多的LCD引脚连接，印版布线非常麻烦•不合理的布局布线容易造成整体EMC和ESD性能降低•缺乏后续系统扩充或移植的灵活性►5V芯片大大方便系统设计•计量芯片、载波模块都要求5V接口►MCU要有足够的程序和数据空间•配以丰富的外设模块►飞思卡尔最佳单片机选择：9S08MZ60飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.TM9S08MZ60►2.7~5.5V/-40~85°工作范围►MZ系列产品引脚兼容内核&内存MZ60S08Core/20MHzFlash60KBRAM2KB时钟管理内部时钟发生器(ICG)8-bitPeripheralBus电源管理VoltageRegulatorPower-OnResetBrown-OutDetector模拟模块16-ch8-bitADC串行通讯I/O端口BDM定时器&触发16-bitTimer(2ch)(x2)COP16-bitTimer(6ch)(x1)Real-TimeInterrupt(RTI)Run运行模式:WaitStopCRC44LQFP,64LQFPSCI(x2)SPI(x1)ResetPin多至54GPIOTM飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.4TM国网单相表系统硬件框图9S08MZ6060KBFlash2KBRAM64-LQFPCS5464计量脉冲方向RS485RXTXEEPROMIICTPMGPIOSCIIIC/GPIO红外RX38KHz+5VGNDRTC8025TTPM电池ADC告警GPIOGPIO时钟标定电源+5VGND掉电GPIO开关检测ADC继电器电量指示跳闸PLCRXTX+12V+5VCPU/RF卡ISO7816x2时钟SCITPM片外LCD驱动(IIC)ESAM+SPI飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.5TMPCB模块组成主板主电源,CPU,开关按键,时钟,数据存储器,ESAM,PLC/485抄表计量板计量电路电源控制继电器显示板液晶显示状态LED,红外抄表IC卡扩展预付费IC卡4块印刷线路板模块化结构飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.6TM电源设计飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.7TM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CS5464SPI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(1/2Vbat)，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飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.8TM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ƒ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飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.9TM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•无电池备份工作飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.10TM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MCUIO控制实现飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.11TM电量计量飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.12TM计量部分要点►采用CirrusLogic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ƒ通过SPI通讯获取•电量计量信号为数字输出ƒ电量脉冲–MCU中断捕获并计数ƒ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飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowners.©FreescaleSemiconductor,Inc.2010.13TMESAM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ƒMCU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。飞思卡尔™,Freescale™andtheFreescalelogoaretrademarksofFreescaleSemiconductor,Inc.Allotherproductorservicenamesarethepropertyoftheirrespectiveowner