作為智能電網(wǎng)建設的重要一環(huán)，2009年10月，國家電網(wǎng)公司公布了智能電表新標準。新標準包括12個規(guī)范，細化了單相智能電表和三相智能電表設計、制造、管理和維護的各項指標。行業(yè)人士對新標準均給予了高度評價。“國家電網(wǎng)公司制定的標準已經(jīng)走在了歐美各國的前面。”2010年，伴隨智能電網(wǎng)規(guī)劃和相關標準的相繼推出和一些試點項目的陸續(xù)完成，預計中國智能電網(wǎng)市場將迎來井噴式發(fā)展。本文給出了基于RENESAS半導體公司的R5F212B8SNFP為MCU的一款新型單相遠程費控智能電表的設計。
1 系統(tǒng)功能設計
1.1 總體結構
基于RENESAS半導體的單片機R5F212B8SNFP(以下簡稱2B8)完成單相遠程費控智能電表設計，其功能：648k字節(jié)Flash閃速存儲器，3k字節(jié)內(nèi)部RAM，45個可編程CMOS I/O口，可選擇上拉電阻，2個專用輸入口，6個位定時/計數(shù)器，5個外部中斷，23個內(nèi)部中斷，4個軟件中斷，7級中斷結構，3個全雙工串行通信口，16位硬件乘法器，片內(nèi)高低速振蕩器及時鐘電路，2種低功耗電工作方式。是一個比較適合于國網(wǎng)智能電表開發(fā)的高性價比單片機。
該智能電能表功能設計主要包括9大模塊：電壓和電流檢測，電能計量電路RN8209計量模塊；64K容量的串行存儲24LC512存儲模塊；字符組合顯示的HL9576液晶顯示模塊；內(nèi)置溫度補償功能串行時鐘RX8025T時鐘模塊；遠程控制實現(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)調工件的主MCU 2B8控制模塊�？傮w結構如圖1所示。
1.2 電能計量模塊
遠程費控智能電表電能計量采用國產(chǎn)RN8209芯片，精度高、可靠性強。RN8209能夠測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，并能提供2路獨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口實時讀取電表運行參數(shù)，在發(fā)生異常時，進行事件記錄，等待遠程主站系統(tǒng)的查詢。
1.3 通訊模塊
本設計中主要采用了2種通訊方式來實現(xiàn)通訊功能，分別是：RS-485和紅外IR傳輸�？紤]到智能電表會安裝在戶外，因此需要在RS-485總線接口上加上避雷的保護措施。采用的RS-485接口芯片是ISL3152芯片，通過光耦NEC2501和單片機系統(tǒng)進行隔離，從而防止遭遇雷擊時，對整個系統(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總線與遠程主站系統(tǒng)相連，每只智能電表都有一個確定的唯一的12位十進制通訊地址，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，便把應答信息及其校驗碼打包向上傳送給遠程主站系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回抄。
紅外通信時如果直接將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射管進行傳輸時，將會嚴重受到外界環(huán)境的干擾，常見的抗干擾方法是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調制到30～40 kHz的載波上再進行發(fā)送。2B8單片機的定時器管腳可輸出低頻38kHz的載波。通過單片機的UART口的TXD腳驅動另一個串聯(lián)的三極管進行二進制數(shù)據(jù)信號“0”和“1”的傳輸，從而達到紅外數(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解調高頻紅外信號。當HM238R接收到高頻紅外信號時，接收管輸出低電平；當HM238R沒有接收到高頻信號時，接收管將輸出高電平。經(jīng)接收管紅外解調后的數(shù)據(jù)通過UART口的RXD管腳輸入單片機進行相應的處理。
1.4 存儲模塊
智能電表的功能眾多，實現(xiàn)復雜，在運行過程中會產(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)、凍結量數(shù)據(jù)等。所選用的存儲芯片必須容量夠大，可靠性高，保存時間長，功耗低。所以采用美國MICROCHIP公司的24LC512低功耗串行存儲器芯片，采用I2C接口與MCU通訊，待機電流和工作電流分別是1μA和1mA，存儲容量達到64K字節(jié)，10萬次擦寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存時間超過200年。
1.5 時鐘模塊
時鐘電路采用EPSON公司的RX8205T芯片完成，它是一種支持I2C總線的低功耗時鐘芯片，具有很高的精度，內(nèi)置溫度補償晶振，可在寬溫范圍內(nèi)實現(xiàn)精確計時，和目前在電表領域得到廣泛應用的EPSON RX-8025SA引腳兼容，它按照CPU經(jīng)外部通訊口接收到的校時數(shù)據(jù)來設置時鐘和日歷，靠自身的振蕩繼續(xù)走時。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個中斷報警引腳可設置為輸出秒或分同步脈沖，單片機系統(tǒng)每250 ms通過I2C通訊接口讀取當前的時間，計算出該時刻所屬的時段，實現(xiàn)多費率電能表的分時段計量電能。該時鐘電路帶有備用鋰電池，正常工作時有主電源Vcc供電；當出現(xiàn)停電時，自動切換鋰電池為時鐘電路供電，即使停電，時鐘走時也準確。
1.6 液晶顯示
國網(wǎng)智能電表要求電表能夠支持液晶LCD顯示運行信息。顯示模塊采用上海復控華龍公司的HL9576 LCD顯示驅動芯片，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)來驅動液晶顯示屏顯示。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載的切斷與否，報警指示燈用來指示電表運行中發(fā)生的異常，電表運行脈沖指示LED用來指示用戶用電，脈沖輸出用來校表及計量，脈沖輸出的電路和多功能口輸出電路由普通I/O加光耦隔離實現(xiàn)。
1.9 ESAM模塊
ESAM安全模塊的應用是和各種專用或通用智能設備相關的，對于所有需要身份認證、數(shù)據(jù)加密/解密、安全存儲、通訊保密等較高數(shù)據(jù)安全要求的產(chǎn)品和應用系統(tǒng)，ESAM嵌入式安全控制模塊都可以發(fā)揮其獨到的安全控制作用。
對于單相遠程費控智能電表而言，電費的計算在遠程售電系統(tǒng)中完成，表內(nèi)不存儲、顯示與電費、電價相關的信息。電能表接收遠程售電系統(tǒng)下發(fā)的拉閘、允許合閘、ESAM數(shù)據(jù)抄讀指令時，需通過嚴格的密碼驗證及安全認證�？梢�，在智能電表中ESAM模塊只負責完成安全認證和數(shù)據(jù)的存儲，此模塊可在國家電網(wǎng)公司設置完畢后，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證過程都在遠程主站系統(tǒng)與智能電表中的ESAM模塊之間進行，與表中的微控制器無關，微控制器仍然由表廠負責設計，完成智能電表的功能。這樣既實現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性由運行管理方控制，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實時檢測系統(tǒng)供電的狀態(tài)，當上電檢測模擬端口檢測到外部220V供電時，系統(tǒng)啟動內(nèi)部主時鐘全速運行，通過SPI口與計量RN8209通訊，實時讀取電表運行的狀態(tài)內(nèi)容，如實時電壓、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，讀取此刻時間，然后將這些數(shù)據(jù)通過I2C通訊存儲到24LC512中，以備主站系統(tǒng)查詢，同時報警指示燈報警，通過I2C通訊將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿L9576內(nèi)并顯示在LCD液晶屏上。智能電表運行過程中，不斷讀取RX8025T的時間值，來判斷是否可進入下一費率時段運行，進行時段投切。
當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通訊信道接收到遠程主站系統(tǒng)下發(fā)的加密費控命令，2B8會將此數(shù)據(jù)傳送給ESAM模塊進行解密分析，成功后返回給2B8，通過命令分析2B8執(zhí)行相應的費控操作。外部220V供電消失后，系統(tǒng)電源切換到備用鋰電池電源，關閉內(nèi)部高速時鐘，啟動低速時鐘，關閉外圍功能，進入低功耗工作狀態(tài)。
3 結語
這款基于RENESAS半導體的單相遠程費控智能電表設計，能根據(jù)不同的時段設置，實現(xiàn)電能分時計量，存儲大量電表運行數(shù)據(jù)，便于智能電網(wǎng)的運行分析，采用RS485串行通訊，實現(xiàn)電量自動回抄，實時校時，接收遠程主站系統(tǒng)下發(fā)的費控命令，經(jīng)EASM驗證實現(xiàn)費控功能。該電能表經(jīng)本公司量產(chǎn)表明，設計技術新穎，計量準確，走時精確，時段設置靈活，功能強大，各項技術指標均達到國家智能電能表的技術標準，具有廣闊的應用前景。
