基于国网2013标准单相智能电表硬件设计
程正忠
【摘 要】作者根据2013年的新标准电表新规范进行设计，实现单相智能电表的硬件电路设计，通過产品型式试验，通过国家电网的各项测试。
【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.
【关键词】智能电表； 硬件； 单片机
【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller
【中图分类号】TM933.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0189-02
1 单相智能电表原理组成
1.1 单相智能电表组成
单相费控智能电能表，采用当今最先进的电能表专用集成电路、微处理器、永久保存信息的不挥发性存贮器、宽温液晶显示等技术和SMT工艺设计、制造，是高精度、宽负载、高灵敏、低功耗。本表具有红外、RS485接口，方便电力部门实现计算机网络管理。并采用多种软件、硬件抗干扰措施，保证电表可靠运行，从而适应了电力部门对用户有效及时地现代化科学管理需求。
1.2 单相智能电表原理
单相智能电表供计量额定频率为50/60Hz的单相电网中的交流有功电能，该表实现了正、反向有功、分时电能计量以及远传实时电压、火线电流、零线电流、有功功率、功率因数等。电能表通讯规约符合DL/T645-2007及其备案文件要求。
远程管理控制功能 利用低压电力线载波、RS485通讯可组成远程抄表、控制功能，可实现对表的远程抄读、设置、控制等管理。其原理框图如下（见图1）。
2 单相智能电表结构设计要求
2.1 智能电表结构设计要求
单相智能电表严格按照国网的尺寸要求进行设计，包括材料、色差、尺寸均符合国家电网2013标准要求；特别注意的是通信模块的外形尺寸为70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。电能表外形结构需要有厂家名称、电压、电流规格、仪表常数、出厂编号等标识。
2.2 单相智能电能表通信接口结构要求
红外通信留出2个直径为大于5mm孔与外界通过透明PC材料进行隔离。载波或无线模块经过标准接口定义，进行可热插拔设计；载波模块和无线模块可以互换。RS485接口通过90°的连接片对外可通过鳄鱼夹进行连接测试和可靠连接。
3 单相智能电表电路设计
3.1 单片机性能参数指标及应用设计原理图
FM3318是上海复旦微电子公司研发生产的智能电表专用MCU芯片，芯片具有8位增强型80251 MCU核、大容量程序存储器和RAM，集成LCD驱动、RTC、UARTs、硬件7816协议栈等多种功能，可应用于单相智能电表。通信接口为兼容不同工作电源的模块，通信接口一律采用开漏设计输入和输出。单片机接口直接选择成开漏输入和输出状态。
FM3318的主要特性如下：
电压工作范围：2.5～5.5V；
工作温度范围：-40℃～+85℃；
多种工作模式；
增强型80251 MCU核；
JTAG在线调试功能；
最大160Kbytes FLASH程序存储器，可多次编程；
3.5Kbytes xRAM，512bytes NVRAM；
部分IO输入具备施密特特性，并提供电平变化中断功能，方便键盘接口；
上电复位、下电复位、低电压检测电路；
看门狗定时器，溢出周期可设；LCD/LED驱动电路，最大支持4COM×64SEG、6COM×56SEG或8COM×42SEG LCD显示驱动 / 42DIG×8SEG LED扫描显示；
4个扩展定时器，具备适用于电表应用的专用功能；
3路UART，均支持红外调制输出和接收信号捕捉功能；
I2C接口，方便与串行存储器接口；
7816接口，方便与智能卡接口；
SPI接口；
串行测试接口，可用于Flash编程、芯片测试、内部程序在线调试等；
12通道12-bit ADC，其中一路接温度传感器输出，一路检测电池电压，一路检测LDO18LC电压，一路检测LCD电压，8路接外部模拟输入；
低功耗硬件实时时钟；
2个独立的模拟比较器，可灵活地连接为各种输入方式。
3.2 模块接口设计
模块接口VCC电源接口设计；因VCC电源带载125mA情况下，VCC电源的纹波Vp-p应小于1‰。该电路VCC设计采用MP2451DC-DC转换模块设计电路。MP2451DC-DC芯片具有防短路自动保护功能。
3.3 单相智能电表线路设计
电路设计采用PROTEL99SE应用软件。在选定好核心关键元器件的品牌及型号；例如：单片机，液晶，互感器，继电器，存储器，RS485通信芯片，压敏电阻，电解电容。单相智能电表原理图设计好后，设计好每个器件的封装后，生成网络表，导入网络进行Pcb Layout。电路线路设计完成后，设计好安全间距进行铺铜，Pcb板设计完成后，进行pcb板的打样加工，制作钢网进行SMT贴片，插件，然后组装成PCBA板。设计好的PCBA顶层见图2。
4 结论
单相智能电表测试项目有准确度、电气性能、机械性能、绝缘性能、电磁兼容性等几十项测试项目。功单相智能电表按照IEC62056-21标准和Q/GDW 1364-2013进行各项测试，所设计12只样品全部通过国家电网计量中心测试；符合IEC62056-21标准和Q/GDW 1364-2013标准要求，拿到国家电科院计量中心的合格测试报告。
通过对单相智能电表硬件的开发总结出的理论和实践经验可以为其他的电子产品开发设计起到很大的帮助。为将来产品设计起了一个良好的经验积累。
【参考文献】
【1】史玉杰.基于实时测量单相智能电表的设计与实现[D].太原：太原理工大学，2015.
【2】冯守超.单相智能电能表电气性能评价方法的研究[D].保定：华北电力大学，2013.
【摘 要】作者根据2013年的新标准电表新规范进行设计，实现单相智能电表的硬件电路设计，通過产品型式试验，通过国家电网的各项测试。
【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.
【关键词】智能电表； 硬件； 单片机
【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller
【中图分类号】TM933.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0189-02
1 单相智能电表原理组成
1.1 单相智能电表组成
单相费控智能电能表，采用当今最先进的电能表专用集成电路、微处理器、永久保存信息的不挥发性存贮器、宽温液晶显示等技术和SMT工艺设计、制造，是高精度、宽负载、高灵敏、低功耗。本表具有红外、RS485接口，方便电力部门实现计算机网络管理。并采用多种软件、硬件抗干扰措施，保证电表可靠运行，从而适应了电力部门对用户有效及时地现代化科学管理需求。
1.2 单相智能电表原理
单相智能电表供计量额定频率为50/60Hz的单相电网中的交流有功电能，该表实现了正、反向有功、分时电能计量以及远传实时电压、火线电流、零线电流、有功功率、功率因数等。电能表通讯规约符合DL/T645-2007及其备案文件要求。
远程管理控制功能 利用低压电力线载波、RS485通讯可组成远程抄表、控制功能，可实现对表的远程抄读、设置、控制等管理。其原理框图如下（见图1）。
2 单相智能电表结构设计要求
2.1 智能电表结构设计要求
单相智能电表严格按照国网的尺寸要求进行设计，包括材料、色差、尺寸均符合国家电网2013标准要求；特别注意的是通信模块的外形尺寸为70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。电能表外形结构需要有厂家名称、电压、电流规格、仪表常数、出厂编号等标识。
2.2 单相智能电能表通信接口结构要求
红外通信留出2个直径为大于5mm孔与外界通过透明PC材料进行隔离。载波或无线模块经过标准接口定义，进行可热插拔设计；载波模块和无线模块可以互换。RS485接口通过90°的连接片对外可通过鳄鱼夹进行连接测试和可靠连接。
3 单相智能电表电路设计
3.1 单片机性能参数指标及应用设计原理图
FM3318是上海复旦微电子公司研发生产的智能电表专用MCU芯片，芯片具有8位增强型80251 MCU核、大容量程序存储器和RAM，集成LCD驱动、RTC、UARTs、硬件7816协议栈等多种功能，可应用于单相智能电表。通信接口为兼容不同工作电源的模块，通信接口一律采用开漏设计输入和输出。单片机接口直接选择成开漏输入和输出状态。
FM3318的主要特性如下：
电压工作范围：2.5～5.5V；
工作温度范围：-40℃～+85℃；
多种工作模式；
增强型80251 MCU核；
JTAG在线调试功能；
最大160Kbytes FLASH程序存储器，可多次编程；
3.5Kbytes xRAM，512bytes NVRAM；
部分IO输入具备施密特特性，并提供电平变化中断功能，方便键盘接口；
上电复位、下电复位、低电压检测电路；
看门狗定时器，溢出周期可设；LCD/LED驱动电路，最大支持4COM×64SEG、6COM×56SEG或8COM×42SEG LCD显示驱动 / 42DIG×8SEG LED扫描显示；
4个扩展定时器，具备适用于电表应用的专用功能；
3路UART，均支持红外调制输出和接收信号捕捉功能；
I2C接口，方便与串行存储器接口；
7816接口，方便与智能卡接口；
SPI接口；
串行测试接口，可用于Flash编程、芯片测试、内部程序在线调试等；
12通道12-bit ADC，其中一路接温度传感器输出，一路检测电池电压，一路检测LDO18LC电压，一路检测LCD电压，8路接外部模拟输入；
低功耗硬件实时时钟；
2个独立的模拟比较器，可灵活地连接为各种输入方式。
3.2 模块接口设计
模块接口VCC电源接口设计；因VCC电源带载125mA情况下，VCC电源的纹波Vp-p应小于1‰。该电路VCC设计采用MP2451DC-DC转换模块设计电路。MP2451DC-DC芯片具有防短路自动保护功能。
3.3 单相智能电表线路设计
电路设计采用PROTEL99SE应用软件。在选定好核心关键元器件的品牌及型号；例如：单片机，液晶，互感器，继电器，存储器，RS485通信芯片，压敏电阻，电解电容。单相智能电表原理图设计好后，设计好每个器件的封装后，生成网络表，导入网络进行Pcb Layout。电路线路设计完成后，设计好安全间距进行铺铜，Pcb板设计完成后，进行pcb板的打样加工，制作钢网进行SMT贴片，插件，然后组装成PCBA板。设计好的PCBA顶层见图2。
4 结论
单相智能电表测试项目有准确度、电气性能、机械性能、绝缘性能、电磁兼容性等几十项测试项目。功单相智能电表按照IEC62056-21标准和Q/GDW 1364-2013进行各项测试，所设计12只样品全部通过国家电网计量中心测试；符合IEC62056-21标准和Q/GDW 1364-2013标准要求，拿到国家电科院计量中心的合格测试报告。
通过对单相智能电表硬件的开发总结出的理论和实践经验可以为其他的电子产品开发设计起到很大的帮助。为将来产品设计起了一个良好的经验积累。
【参考文献】
【1】史玉杰.基于实时测量单相智能电表的设计与实现[D].太原：太原理工大学，2015.
【2】冯守超.单相智能电能表电气性能评价方法的研究[D].保定：华北电力大学，2013.
