基于半导体的单相远程费控智能电表设计

本文给出了基于RENESAS半导体公司的R5F212B8SNFP为MCU的一款新型单相远程费控智能电表的设计。

1系统功能设计

1.1总体结构

基于RENESAS半导体的单片机R5F212B8SNFP(以下简称2B8)完成单相远程费控智能电表设计，其功能：648k字节Flash闪速存储器，3k字节内部RAM，45个可编程CMOS I/O口，可选择上拉电阻，2个专用输入口，6个位定时/计数器，5个外部中断，23个内部中断，4个软件中断，7级中断结构，3个全双工串行通信口，16位硬件乘法器，片内高低速振荡器及时钟电路，2种低功耗电工作方式。是一个比较适合于国网智能电表开发的高性价比单片机。

该智能电能表功能设计主要包括9大模块：电压和电流检测，电能计量电路RN8209计量模块;64 K容量的串行存储24LC512存储模块;字符组合显示的HL9576液晶显示模块;内置温度补偿功能串行时钟RX8025T时钟模块;远程控制实现加密解密ESAM模块;红外IR无线通讯和RS485总线通讯电路模块;各种信息输出的输出电路模块;为各工作模块提供工作电源的电源模块;为各模块协调工件的主MCU 2B8控制模块。总体结构如图1所示。

1.2电能计量模块

远程费控智能电表电能计量采用国产RN8209芯片，精度高、可靠性强。RN8209能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，并能提供2路独立的有功功率和有效值、电压电流有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。支持全数字的增益、相位和Offset校正。有功、无功电能脉冲分别从PF、QF管脚输出。内部的电源监控电路可以保证上电和断电时芯片的可靠工作。

提供串行SPI与MCU 2B8之间通讯。MCU可通过SPI口实时读取电表运行参数，在发生异常时，进行事件记录，等待远程主站系统的查询。

1.3通讯模块

本设计中主要采用了2种通讯方式来实现通讯功能，分别是：RS-485和红外IR传输。考虑到智能电表会安装在户外，因此需要在RS-485总线接口上加上避雷的保护措施。采用的RS-485接口芯片是ISL3152芯片，通过光耦NEC2501和单片机系统进行隔离，从而防止遭遇雷击时，对整个系统造成破坏。

主MCU通过异步串行通讯接口UART且通过光耦隔离与RS-485接口芯片ISL3152相连，智能电表通过RS485总线与远程主站系统相连，每只智能电表都有一个确定的唯一的12位十进制通讯地址，主站系统采用DL/T645—2007协议下发命令信息，智能电能表接收到与自己地址匹配的信息，便把应答信息及其校验码打包向上传送给远程主站系统，实现数据回抄。

红外通信时如果直接将数据通过红外发射管进行传输时，将会严重受到外界环境的干扰，常见的抗干扰方法是将需要传输的数据调制到30～40 kHz的载波上再进行发送。2B8单片机的定时器管脚可输出低频38 kHz的载波。通过单片机的UART口的TXD脚驱动另一个串联的三极管进行二进制数据信号“0”和“1”的传输，从而达到红外数据发送的功能。在红外接收部分，利用红外一体化接收模块HM238R解调高频红外信号。当HM238R接收到高频红外信号时，接收管输出低电平;当HM238R没有接收到高频信号时，接收管将输出高电平。经接收管红外解调后的数据通过UART口的RXD管脚输入单片机进行相应的处理。

1.4存储模块

智能电表的功能众多，实现复杂，在运行过程中会产生大量的数据，如12月历史电量数据、事件记录数据、冻结量数据等。所选用的存储芯片必须容量够大，可靠性高，保存时间长，功耗低。所以采用美国MICROCHIP公司的24LC512低功耗串行存储器芯片，采用I2C接口与MCU通讯，待机电流和工作电流分别是1μA和1 mA，存储容量达到64 K字节，10万次擦写次数，数据保存时间超过200年。

1.5时钟模块

时钟电路采用EPSON公司的RX8205T芯片完成，它是一种支持I2C总线的低功耗时钟芯片，具有很高的精度，内置温度补偿晶振，可在宽温范围内实现精确计时，和目前在电表领域得到广泛应用的EPSON RX-8025SA引脚兼容，它按照CPU经外部通讯口接收到的校时数据来设置时钟和日历，靠自身的振荡继续走时。通过2线I2C方式与CPU连接，SDA脚和SCL脚分别与2B8的引脚相连，并有2个中断报警引脚可设置为输出秒或分同步脉冲，单片机系统每250 ms通过I2C通讯接口读取当前的时间，计算出该时刻所属的时段，实现多费率电能表的分时段计量电能。该时钟电路带有备用锂电池，正常工作时有主电源Vcc供电;当出现停电时，自动切换锂电池为时钟电路供电，即使停电，时钟走时也准确。