程正忠

【摘 要】作者根據(jù)2013年的新標(biāo)準(zhǔn)電表新規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單相智能電表的硬件電路設(shè)計(jì)，通過(guò)產(chǎn)品型式試驗(yàn)，通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)的各項(xiàng)測(cè)試。

【Abstract】According to the new standard of the new meter in 2013， the author designed the hardware circuit of the single-phase smart meter， passed the tests of the product type and passed the tests of State Grid.

【關(guān)鍵詞】智能電表； 硬件； 單片機(jī)

【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM933.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0189-02

1 單相智能電表原理組成

1.1 單相智能電表組成

單相費(fèi)控智能電能表，采用當(dāng)今最先進(jìn)的電能表專(zhuān)用集成電路、微處理器、永久保存信息的不揮發(fā)性存貯器、寬溫液晶顯示等技術(shù)和SMT工藝設(shè)計(jì)、制造，是高精度、寬負(fù)載、高靈敏、低功耗。本表具有紅外、RS485接口，方便電力部門(mén)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理。并采用多種軟件、硬件抗干擾措施，保證電表可靠運(yùn)行，從而適應(yīng)了電力部門(mén)對(duì)用戶有效及時(shí)地現(xiàn)代化科學(xué)管理需求。

1.2 單相智能電表原理

單相智能電表供計(jì)量額定頻率為50/60Hz的單相電網(wǎng)中的交流有功電能，該表實(shí)現(xiàn)了正、反向有功、分時(shí)電能計(jì)量以及遠(yuǎn)傳實(shí)時(shí)電壓、火線電流、零線電流、有功功率、功率因數(shù)等。電能表通訊規(guī)約符合DL/T645-2007及其備案文件要求。

遠(yuǎn)程管理控制功能 利用低壓電力線載波、RS485通訊可組成遠(yuǎn)程抄表、控制功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)表的遠(yuǎn)程抄讀、設(shè)置、控制等管理。其原理框圖如下（見(jiàn)圖1）。

2 單相智能電表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

2.1 智能電表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

單相智能電表嚴(yán)格按照國(guó)網(wǎng)的尺寸要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括材料、色差、尺寸均符合國(guó)家電網(wǎng)2013標(biāo)準(zhǔn)要求；特別注意的是通信模塊的外形尺寸為70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。電能表外形結(jié)構(gòu)需要有廠家名稱、電壓、電流規(guī)格、儀表常數(shù)、出廠編號(hào)等標(biāo)識(shí)。

2.2 單相智能電能表通信接口結(jié)構(gòu)要求

紅外通信留出2個(gè)直徑為大于5mm孔與外界通過(guò)透明PC材料進(jìn)行隔離。載波或無(wú)線模塊經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口定義，進(jìn)行可熱插拔設(shè)計(jì)；載波模塊和無(wú)線模塊可以互換。RS485接口通過(guò)90°的連接片對(duì)外可通過(guò)鱷魚(yú)夾進(jìn)行連接測(cè)試和可靠連接。

3 單相智能電表電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)性能參數(shù)指標(biāo)及應(yīng)用設(shè)計(jì)原理圖

FM3318是上海復(fù)旦微電子公司研發(fā)生產(chǎn)的智能電表專(zhuān)用MCU芯片，芯片具有8位增強(qiáng)型80251 MCU核、大容量程序存儲(chǔ)器和RAM，集成LCD驅(qū)動(dòng)、RTC、UARTs、硬件7816協(xié)議棧等多種功能，可應(yīng)用于單相智能電表。通信接口為兼容不同工作電源的模塊，通信接口一律采用開(kāi)漏設(shè)計(jì)輸入和輸出。單片機(jī)接口直接選擇成開(kāi)漏輸入和輸出狀態(tài)。

FM3318的主要特性如下：

電壓工作范圍：2.5～5.5V；

工作溫度范圍：-40℃～+85℃；

多種工作模式；

增強(qiáng)型80251 MCU核；

JTAG在線調(diào)試功能；

最大160Kbytes FLASH程序存儲(chǔ)器，可多次編程；

3.5Kbytes xRAM，512bytes NVRAM；

部分IO輸入具備施密特特性，并提供電平變化中斷功能，方便鍵盤(pán)接口；

上電復(fù)位、下電復(fù)位、低電壓檢測(cè)電路；

看門(mén)狗定時(shí)器，溢出周期可設(shè)；LCD/LED驅(qū)動(dòng)電路，最大支持4COM×64SEG、6COM×56SEG或8COM×42SEG LCD顯示驅(qū)動(dòng) / 42DIG×8SEG LED掃描顯示；

4個(gè)擴(kuò)展定時(shí)器，具備適用于電表應(yīng)用的專(zhuān)用功能；

3路UART，均支持紅外調(diào)制輸出和接收信號(hào)捕捉功能；

I2C接口，方便與串行存儲(chǔ)器接口；

7816接口，方便與智能卡接口；

SPI接口；

串行測(cè)試接口，可用于Flash編程、芯片測(cè)試、內(nèi)部程序在線調(diào)試等；

12通道12-bit ADC，其中一路接溫度傳感器輸出，一路檢測(cè)電池電壓，一路檢測(cè)LDO18LC電壓，一路檢測(cè)LCD電壓，8路接外部模擬輸入；

低功耗硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

2個(gè)獨(dú)立的模擬比較器，可靈活地連接為各種輸入方式。

3.2 模塊接口設(shè)計(jì)

模塊接口VCC電源接口設(shè)計(jì)；因VCC電源帶載125mA情況下，VCC電源的紋波Vp-p應(yīng)小于1‰。該電路VCC設(shè)計(jì)采用MP2451DC-DC轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)電路。MP2451DC-DC芯片具有防短路自動(dòng)保護(hù)功能。

3.3 單相智能電表線路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)采用PROTEL99SE應(yīng)用軟件。在選定好核心關(guān)鍵元器件的品牌及型號(hào)；例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)，液晶，互感器，繼電器，存儲(chǔ)器，RS485通信芯片，壓敏電阻，電解電容。單相智能電表原理圖設(shè)計(jì)好后，設(shè)計(jì)好每個(gè)器件的封裝后，生成網(wǎng)絡(luò)表，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行Pcb Layout。電路線路設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)好安全間距進(jìn)行鋪銅，Pcb板設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行pcb板的打樣加工，制作鋼網(wǎng)進(jìn)行SMT貼片，插件，然后組裝成PCBA板。設(shè)計(jì)好的PCBA頂層見(jiàn)圖2。

4 結(jié)論

單相智能電表測(cè)試項(xiàng)目有準(zhǔn)確度、電氣性能、機(jī)械性能、絕緣性能、電磁兼容性等幾十項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目。功單相智能電表按照IEC62056-21標(biāo)準(zhǔn)和Q/GDW 1364-2013進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)12只樣品全部通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)計(jì)量中心測(cè)試；符合IEC62056-21標(biāo)準(zhǔn)和Q/GDW 1364-2013標(biāo)準(zhǔn)要求，拿到國(guó)家電科院計(jì)量中心的合格測(cè)試報(bào)告。

通過(guò)對(duì)單相智能電表硬件的開(kāi)發(fā)總結(jié)出的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以為其他的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)起到很大的幫助。為將來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)起了一個(gè)良好的經(jīng)驗(yàn)積累。

【參考文獻(xiàn)】

【1】史玉杰.基于實(shí)時(shí)測(cè)量單相智能電表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原：太原理工大學(xué)，2015.

【2】馮守超.單相智能電能表電氣性能評(píng)價(jià)方法的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.endprint