作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要一環(huán)，2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)包括12個(gè)規(guī)范，細(xì)化了單相智能電表和三相智能電表設(shè)計(jì)、制造、管理和維護(hù)的各項(xiàng)指標(biāo)。行業(yè)人士對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)均給予了高度評(píng)價(jià)。“國家電網(wǎng)公司制定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)走在了歐美各國的前面。”2010年，伴隨智能電網(wǎng)規(guī)劃和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相繼推出和一些試點(diǎn)項(xiàng)目的陸續(xù)完成，預(yù)計(jì)中國智能電網(wǎng)市場(chǎng)將迎來井噴式發(fā)展。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(jiǎn)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(chǔ)器，3k字節(jié)內(nèi)部RAM，45個(gè)可編程CMOS I/O口，可選擇上拉電阻，2個(gè)專用輸入口，6個(gè)位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)外部中斷，23個(gè)內(nèi)部中斷，4個(gè)軟件中斷，7級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，3個(gè)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(shí)鐘電路，2種低功耗電工作方式。是一個(gè)比較適合于國網(wǎng)智能電表開發(fā)的高性價(jià)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(cè)，電能計(jì)量電路RN8209計(jì)量模塊；64K容量的串行存儲(chǔ)24LC512存儲(chǔ)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(shí)鐘RX8025T時(shí)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(cè)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(shí)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(shí)讀取電表運(yùn)行參數(shù)，在發(fā)生異常時(shí)，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(huì)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(shí)，對(duì)整個(gè)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(gè)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(shí)如果直接將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射管進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì)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(shí)器管腳可輸出低頻38kHz的載波。通過單片機(jī)的UART口的TXD腳驅(qū)動(dòng)另一個(gè)串聯(lián)的三極管進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)“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(hào)。當(dāng)HM238R接收到高頻紅外信號(hào)時(shí)，接收管輸出低電平；當(dāng)HM238R沒有接收到高頻信號(hào)時(shí)，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(chǔ)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(huì)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(chǔ)芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時(shí)間長，功耗低。所以采用美國MICROCHIP公司的24LC512低功耗串行存儲(chǔ)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1mA，存儲(chǔ)容量達(dá)到64K字節(jié)，10萬次擦寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間超過200年。
1.5 時(shí)鐘模塊
時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)數(shù)據(jù)來設(shè)置時(shí)鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時(shí)。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(gè)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(shí)間，計(jì)算出該時(shí)刻所屬的時(shí)段，實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率電能表的分時(shí)段計(jì)量電能。該時(shí)鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時(shí)有主電源Vcc供電；當(dāng)出現(xiàn)停電時(shí)，自動(dòng)切換鋰電池為時(shí)鐘電路供電，即使停電，時(shí)鐘走時(shí)也準(zhǔn)確。
1.6 液晶顯示
國網(wǎng)智能電表要求電表能夠支持液晶LCD顯示運(yùn)行信息。顯示模塊采用上海復(fù)控華龍公司的HL9576 LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片，功耗低，同樣采用I2C接口，通過SDA腳和SCL腳與2B8的引腳相連，接收2B8下發(fā)的顯示數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏顯示。通過液晶上的各種顯示字符組合來顯示電表各種運(yùn)行信息，從而方便用戶使用。
1.7 電源模塊
由于智能電表要求能夠停電喚醒，智能電表的電源供給：一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是由在主電源無效的情況下提供備用鋰電池電源，以滿足電表MCU、時(shí)鐘芯片和液晶顯示的需要。
1.8 輸出模塊
與以前使用的電能表不同，智能電表輸出的LED指示燈的功能也不相同。拉閘指示燈用來指示用戶負(fù)載的切斷與否，報(bào)警指示燈用來指示電表運(yùn)行中發(fā)生的異常，電表運(yùn)行脈沖指示LED用來指示用戶用電，脈沖輸出用來校表及計(jì)量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/O加光耦隔離實(shí)現(xiàn)。
1.9 ESAM模塊
ESAM安全模塊的應(yīng)用是和各種專用或通用智能設(shè)備相關(guān)的，對(duì)于所有需要身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密/解密、安全存儲(chǔ)、通訊保密等較高數(shù)據(jù)安全要求的產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨(dú)到的安全控制作用。
對(duì)于單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表而言，電費(fèi)的計(jì)算在遠(yuǎn)程售電系統(tǒng)中完成，表內(nèi)不存儲(chǔ)、顯示與電費(fèi)、電價(jià)相關(guān)的信息。電能表接收遠(yuǎn)程售電系統(tǒng)下發(fā)的拉閘、允許合閘、ESAM數(shù)據(jù)抄讀指令時(shí)，需通過嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證及安全認(rèn)證�？梢姡谥悄茈姳碇蠩SAM模塊只負(fù)責(zé)完成安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，此模塊可在國家電網(wǎng)公司設(shè)置完畢后，提供給表廠安裝在智能電表中。今后的數(shù)據(jù)存取以及密鑰的安全認(rèn)證過程都在遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)與智能電表中的ESAM模塊之間進(jìn)行，與表中的微控制器無關(guān)，微控制器仍然由表廠負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，完成智能電表的功能。這樣既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性由運(yùn)行管理方控制，又不妨礙表廠繼續(xù)發(fā)展和完善智能電表的功能和性能。是一種較為理想的方案。
2 系統(tǒng)工作原理
2B8實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)供電的狀態(tài)，當(dāng)上電檢測(cè)模擬端口檢測(cè)到外部220V供電時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部主時(shí)鐘全速運(yùn)行，通過SPI口與計(jì)量RN8209通訊，實(shí)時(shí)讀取電表運(yùn)行的狀態(tài)內(nèi)容，如實(shí)時(shí)電壓、電流值、功率、功率因數(shù)等，并判斷是否在正常工作范圍內(nèi)，如出現(xiàn)異常，通過I2C與RX8025T通訊，讀取此刻時(shí)間，然后將這些數(shù)據(jù)通過I2C通訊存儲(chǔ)到24LC512中，以備主站系統(tǒng)查詢，同時(shí)報(bào)警指示燈報(bào)警，通過I2C通訊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿L9576內(nèi)并顯示在LCD液晶屏上。智能電表運(yùn)行過程中，不斷讀取RX8025T的時(shí)間值，來判斷是否可進(jìn)入下一費(fèi)率時(shí)段運(yùn)行，進(jìn)行時(shí)段投切。
當(dāng)智能電表接收到紅外或485通訊信道下發(fā)格式DL/T645—2007的命令數(shù)據(jù)，電表通過規(guī)約解析，通過I2C通訊讀取24LC512中的數(shù)據(jù)，打包后通過紅外或485通訊信道上傳。如485通訊信道接收到遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)下發(fā)的加密費(fèi)控命令，2B8會(huì)將此數(shù)據(jù)傳送給ESAM模塊進(jìn)行解密分析，成功后返回給2B8，通過命令分析2B8執(zhí)行相應(yīng)的費(fèi)控操作。外部220V供電消失后，系統(tǒng)電源切換到備用鋰電池電源，關(guān)閉內(nèi)部高速時(shí)鐘，啟動(dòng)低速時(shí)鐘，關(guān)閉外圍功能，進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。
3 結(jié)語
這款基于RENESAS半導(dǎo)體的單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表設(shè)計(jì)，能根據(jù)不同的時(shí)段設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電能分時(shí)計(jì)量，存儲(chǔ)大量電表運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于智能電網(wǎng)的運(yùn)行分析，采用RS485串行通訊，實(shí)現(xiàn)電量自動(dòng)回抄，實(shí)時(shí)校時(shí)，接收遠(yuǎn)程主站系統(tǒng)下發(fā)的費(fèi)控命令，經(jīng)EASM驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)費(fèi)控功能。該電能表經(jīng)本公司量產(chǎn)表明，設(shè)計(jì)技術(shù)新穎，計(jì)量準(zhǔn)確，走時(shí)精確，時(shí)段設(shè)置靈活，功能強(qiáng)大，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國家智能電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
