基于國網2013標準單相智能電表硬件設計

程正忠

【摘 要】作者根據2013年的新標準電表新規范進行設計，實現單相智能電表的硬件電路設計，通過產品型式試驗，通過國家電網的各項測試。

【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.

【關鍵詞】智能電表； 硬件； 單片機

【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller

【中圖分類號】TM933.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】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

單相費控智能電能表，采用當今最先進的電能表專用集成電路、微處理器、永久保存信息的不揮發性存貯器、寬溫液晶顯示等技術和SMT工藝設計、制造，是高精度、寬負載、高靈敏、低功耗。本表具有紅外、RS485接口，方便電力部門實現計算機網絡管理。并采用多種軟件、硬件抗干擾措施，保證電表可靠運行，從而適應了電力部門對用戶有效及時地現代化科學管理需求。

1.2 單相智能電表原理

單相智能電表供計量額定頻率為50/60Hz的單相電網中的交流有功電能，該表實現了正、反向有功、分時電能計量以及遠傳實時電壓、火線電流、零線電流、有功功率、功率因數等。電能表通訊規約符合DL/T645-2007及其備案文件要求。

遠程管理控制功能 利用低壓電力線載波、RS485通訊可組成遠程抄表、控制功能，可實現對表的遠程抄讀、設置、控制等管理。其原理框圖如下（見圖1）。

2 單相智能電表結構設計要求

2.1 智能電表結構設計要求

單相智能電表嚴格按照國網的尺寸要求進行設計，包括材料、色差、尺寸均符合國家電網2013標準要求；特別注意的是通信模塊的外形尺寸為70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。電能表外形結構需要有廠家名稱、電壓、電流規格、儀表常數、出廠編號等標識。

2.2 單相智能電能表通信接口結構要求

紅外通信留出2個直徑為大于5mm孔與外界通過透明PC材料進行隔離。載波或無線模塊經過標準接口定義，進行可熱插拔設計；載波模塊和無線模塊可以互換。RS485接口通過90°的連接片對外可通過鱷魚夾進行連接測試和可靠連接。

3 單相智能電表電路設計

3.1 單片機性能參數指標及應用設計原理圖

FM3318是上海復旦微電子公司研發生產的智能電表專用MCU芯片，芯片具有8位增強型80251 MCU核、大容量程序存儲器和RAM，集成LCD驅動、RTC、UARTs、硬件7816協議棧等多種功能，可應用于單相智能電表。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漏設計輸入和輸出。單片機接口直接選擇成開漏輸入和輸出狀態。

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；

增強型80251 MCU核；

JTAG在線調試功能；

最大160Kbytes FLASH程序存儲器，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，方便鍵盤接口；

上電復位、下電復位、低電壓檢測電路；

看門狗定時器，溢出周期可設；LCD/LED驅動電路，最大支持4COM×64SEG、6COM×56SEG或8COM×42SEG LCD顯示驅動 / 42DIG×8SEG LED掃描顯示；

4個擴展定時器，具備適用于電表應用的專用功能；

3路UART，均支持紅外調制輸出和接收信號捕捉功能；

I2C接口，方便與串行存儲器接口；

7816接口，方便與智能卡接口；

SPI接口；

串行測試接口，可用于Flash編程、芯片測試、內部程序在線調試等；

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

低功耗硬件實時時鐘；

2個獨立的模擬比較器，可靈活地連接為各種輸入方式。

3.2 模塊接口設計

模塊接口VCC電源接口設計；因VCC電源帶載125mA情況下，VCC電源的紋波Vp-p應小于1‰。該電路VCC設計采用MP2451DC-DC轉換模塊設計電路。MP2451DC-DC芯片具有防短路自動保護功能。

3.3 單相智能電表線路設計

電路設計采用PROTEL99SE應用軟件。在選定好核心關鍵元器件的品牌及型號；例如：單片機，液晶，互感器，繼電器，存儲器，RS485通信芯片，壓敏電阻，電解電容。單相智能電表原理圖設計好后，設計好每個器件的封裝后，生成網絡表，導入網絡進行Pcb Layout。電路線路設計完成后，設計好安全間距進行鋪銅，Pcb板設計完成后，進行pcb板的打樣加工，制作鋼網進行SMT貼片，插件，然后組裝成PCBA板。設計好的PCBA頂層見圖2。

4 結論

單相智能電表測試項目有準確度、電氣性能、機械性能、絕緣性能、電磁兼容性等幾十項測試項目。功單相智能電表按照IEC62056-21標準和Q/GDW 1364-2013進行各項測試，所設計12只樣品全部通過國家電網計量中心測試；符合IEC62056-21標準和Q/GDW 1364-2013標準要求，拿到國家電科院計量中心的合格測試報告。

通過對單相智能電表硬件的開發總結出的理論和實踐經驗可以為其他的電子產品開發設計起到很大的幫助。為將來產品設計起了一個良好的經驗積累。

【參考文獻】

【1】史玉杰.基于實時測量單相智能電表的設計與實現[D].太原：太原理工大學，2015.

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