STM32F103xx系列單片機介紹

1、STM32F103xx系列單片機介紹STM32F103xx增強型系列由意法半導(dǎo)體集團設(shè)計，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。1、結(jié)構(gòu)與功能內(nèi)核：ARM32位的Cortex-M3CPU72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存儲器

2、支持單周期乘法和硬件除法存儲器從32K字節(jié)至512K字節(jié)的閃存程序存儲器（STM32F103xx中的第二個x表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）從6K字節(jié)至64K字節(jié)的SRAM時鐘、復(fù)位和電源管理2.0至3.6伏供電和I/O管腳上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD)內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器PLL供應(yīng)CPU時鐘帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC振蕩器低功耗睡眠、停機和待機模式VBAT為RTC和后備寄存器供電2個12位模

3、數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間(16通道)轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V雙采樣和保持功能溫度傳感器DMA7通道DMA控制器支持的外設(shè)：定時器、ADC、SPI、I2C和USART多達80個快速I/O口26/37/51/80個多功能雙向5V兼容的I/O口所有I/O口可以映像到16個外部中斷調(diào)試模式串行線調(diào)試(SWD)和JTAG接口多達7個定時器多達3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道16位6通道高級控制定時器多達6路PWM輸出死區(qū)控制、邊緣/中間對齊波形和緊急制動2個看門狗定時器(獨立的和窗口型的)系統(tǒng)時間定時器：24位自減型多達9個通信接口多達2個I2C接口(S

4、MBus/PMBus)多達3個USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制多達2個SPI同步串行接口(18兆位/秒)CAN接口(2.0B主動)USB2.0全速接口ECOPACK封裝（兼容RoHS）2、特點概述ARM的Cortex-M3核心ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，提供額外的代碼效率，通常在8和16位系統(tǒng)的存儲空間上得以體現(xiàn)ARM核心的高性能。STM32F103xx增

5、強型系列擁有內(nèi)置的ARM核心，因此它與所有的ARM工具和軟件兼容。嵌入式Flash存儲器和RAM存儲器最新STM32F103xE型擁有高達512K字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。多達64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的時鐘速度進行讀寫（不待等待狀態(tài)）。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）STM32F103xx增強型產(chǎn)品內(nèi)嵌2個12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個ADC有多達16個外部通道，可以實現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，轉(zhuǎn)換在選定的一組模擬輸入上自動進行。ADC接口上額外的邏輯功能允許：1、同時采樣和保持；2、交叉采樣和保持；3、單次采樣。模擬看門狗功能允許非常精準(zhǔn)地監(jiān)視一路、多路

6、或所有選中的通道，當(dāng)被監(jiān)視的信號超出預(yù)置的閥值時，將產(chǎn)生中斷。由標(biāo)準(zhǔn)定時器(TIMx)和高級控制定時器(TIM1)產(chǎn)生的事件，可以分別內(nèi)部級聯(lián)到ADC的開始觸發(fā)、外部觸發(fā)和DMA觸發(fā)，以使應(yīng)用程序能同步AD轉(zhuǎn)換和時鐘?？勺冹o態(tài)存儲器（FSMC）FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，帶有4個片選，支持一下模式：Flash、RAM、PSRAM、NOR和NAND。3個FSMC中斷線經(jīng)過OR后連接到NVIC。沒有讀/寫FIFO，除PCCARD之外，代碼都是從外部存儲器執(zhí)行，不支持Boot，目標(biāo)頻率等于SYSCLK/2，所以當(dāng)系統(tǒng)時鐘是72MHz時，外部

7、訪問按照36MHz進行。嵌套矢量中斷控制器（NVIC）可以處理43個可屏蔽中斷通道（不包括Cortex-M3的16根中斷線），提供16個中斷優(yōu)先級。緊密耦合的NVIC實現(xiàn)了更低的中斷處理延遲，直接向內(nèi)核傳遞中斷入口向量表地址，緊密耦合的NVIC內(nèi)核接口，允許中斷提前處理，對后到的更高優(yōu)先級的中斷進行處理，支持尾鏈，自動保存處理器狀態(tài)，中斷入口在中斷退出時自動恢復(fù)，不需要指令干預(yù)。外部中斷/事件控制器（EXTI）外部中斷/事件控制器由用于19條產(chǎn)生中斷/事件請求的邊沿探測器線組成。每條線可以被單獨配置用于選擇觸發(fā)事件（上升沿，下降沿，或者兩者都可以），也可以被單獨屏蔽。有一個掛起寄存器來維護中斷

8、請求的狀態(tài)。當(dāng)外部線上出現(xiàn)長度超過內(nèi)部APB2時鐘周期的脈沖時，EXTI能夠探測到。多達112個GPIO連接到16個外部中斷線。時鐘和啟動在啟動的時候還是要進行系統(tǒng)時鐘選擇，但復(fù)位的時候內(nèi)部8MHz的晶振被選用作CPU時鐘?？梢赃x擇一個外部的4-16MHz的時鐘，并且會被監(jiān)視來判定是否成功。在這期間，控制器被禁止并且軟件中斷管理也隨后被禁止。同時，如果有需要（例如碰到一個間接使用的晶振失?。?，PLL時鐘的中斷管理完全可用。多個預(yù)比較器可以用于配置AHB頻率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的頻率為72MHz，低速APB最高的頻率為36MHz。Boot模式在啟動的

9、時候，Boot引腳被用來在3種Boot選項種選擇一種：從用戶Flash導(dǎo)入，從系統(tǒng)存儲器導(dǎo)入，從SRAM導(dǎo)入。Boot導(dǎo)入程序位于系統(tǒng)存儲器，用于通過USART1重新對Flash存儲器編程。電源供電方案VDD，電壓范圍為2.0V-3.6V，外部電源通過VDD引腳提供，用于I/O和內(nèi)部調(diào)壓器。VSSA和VDDA，電壓范圍為2.0-3.6V，外部模擬電壓輸入，用于ADC，復(fù)位模塊，RC和PLL，在VDD范圍之內(nèi)（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必須相應(yīng)連接到VSS和VDD。VBAT，電壓范圍為1.8-3.6V，當(dāng)VDD無效時為RTC，外部32KHz晶振和備份寄存器供電（通過電源切換實現(xiàn)

10、）。電源管理設(shè)備有一個完整的上電復(fù)位（POR）和掉電復(fù)位（PDR）電路。這條電路一直有效，用于確保從2V啟動或者掉到2V的時候進行一些必要的操作。當(dāng)VDD低于一個特定的下限VPOR/PDR時，不需要外部復(fù)位電路，設(shè)備也可以保持在復(fù)位模式。設(shè)備特有一個嵌入的可編程電壓探測器（PVD），PVD用于檢測VDD，并且和VPVD限值比較，當(dāng)VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD時會產(chǎn)生一個中斷。中斷服務(wù)程序可以產(chǎn)生一個警告信息或者將MCU置為一個安全狀態(tài)。PVD由軟件使能。電壓調(diào)節(jié)調(diào)壓器有3種運行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉電。MR用在傳統(tǒng)意義上的調(diào)節(jié)模式（運行模式），LPR用在停止模式，掉

11、電用在待機模式：調(diào)壓器輸出為高阻，核心電路掉電，包括零消耗（寄存器和SRAM的內(nèi)容不會丟失）。低功耗模式STM32F103xx支持3種低功耗模式，從而在低功耗，短啟動時間和可用喚醒源之間達到一個最好的平衡點。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外設(shè)繼續(xù)運行，在中斷/事件發(fā)生時喚醒CPU；停止模式：允許以最小的功耗來保持SRAM和寄存器的內(nèi)容。1.8V區(qū)域的時鐘都停止，PLL，HSI和HSERC振蕩器被禁能，調(diào)壓器也被置為正?；蛘叩凸哪Ｊ健ＴO(shè)備可以通過外部中斷線從停止模式喚醒。外部中斷源可以使16個外部中斷線之一，PVD輸出或者TRC警告。待機模式：追求最少的功耗，內(nèi)部調(diào)壓器被關(guān)閉，這樣1.8V

12、區(qū)域斷電。PLL,HSI和HSERC振蕩器也被關(guān)閉。在進入待機模式之后，除了備份寄存器和待機電路，SRAM和寄存器的內(nèi)容也會丟失。當(dāng)外部復(fù)位（NRST引腳），IWDG復(fù)位，WKUP引腳出現(xiàn)上升沿或者TRC警告發(fā)生時，設(shè)備退出待機模式。進入停止模式或者待機模式時，TRC,IWDG和相關(guān)的時鐘源不會停止。3.詳細介紹一款實際工作中智能儀表（要求原理30%、功能20%和應(yīng)用10%）。單相費控智能電能表介紹1、單相費控智能電能表的總體結(jié)構(gòu)在對智能電能表硬件系統(tǒng)進行設(shè)計時，按照各自不同的功能，我們可以將其劃分為若干模塊，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計時，采用模塊化的設(shè)計方案。按照各部分實現(xiàn)的不同功能，系統(tǒng)硬件部分整

13、體結(jié)構(gòu)包括以下幾部分：信號采樣部分、電能計量部分、MCU部分、液晶顯示部分、時鐘部分、存儲部分、電源部分、485通信部分、紅外通信部分、ESAM安全塊、繼電器控制以及脈沖信號輸出等幾部分組成。系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如下：圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖單相費控智能電能表的基本原理是：被測交流電壓和交流電流經(jīng)過高精度采樣后送到專用電能計量芯片（即圖中ATT7053A）經(jīng)過一系列數(shù)字處理，轉(zhuǎn)換成與有功功率成正比的脈沖信號，并進行脈沖輸出，微處理器（78K0527A）將脈沖信號依據(jù)所屬時段進行分時累計，得到總電量和各時段電量，并將結(jié)果保存到E2PROM中。同時完成相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示以及與遠程上位機的通訊。在整個

14、系統(tǒng)中，微控制器（即MCU）部分是系統(tǒng)控制核心，通過SPI和I2C總線方式與外部相關(guān)模塊進行通信，控制著其外圍各模塊的運行狀態(tài)。計量模塊采用高精度的電能專用計量芯片，完成對采樣電壓和電流信號進行相關(guān)運算和處理，實現(xiàn)功率測量并進行脈沖信號輸出等。計量芯片是整個電能計量的核心部分。時鐘模塊部分能為電表提供精確的計時，微控制器通過I2C方式每間隔一定時間讀取當(dāng)前的時間，并計算得出當(dāng)前該時刻所對應(yīng)的費率時段，從而實現(xiàn)分時段的電能計量。電源部分為整個電能表系統(tǒng)提供電源，主要是通過整流，將電表所在的供電線路中的220伏高壓交流電，轉(zhuǎn)換為可供系統(tǒng)直接使用的低壓直流電。另一方面，為保證在意外或突發(fā)故障情況下整

15、個電表系統(tǒng)能正常工作，在設(shè)計時為其提供備用電源，通常為鋰電池，以確保整個系統(tǒng)的正常運行。ESAM安全模塊嵌入在單相電表內(nèi)，實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ?，是單相電能表必不可少的組成部分。存儲器部分，系統(tǒng)在設(shè)計時采用EEPROM，即可擦可編程只讀存儲器，用于大量數(shù)據(jù)的存儲和記錄，同時能保證在各種意外和突發(fā)事故造成的掉電情況下，用戶用電數(shù)據(jù)的不消失和長期存儲。LCD顯示部分，對于本地費控電能表，用于顯示電壓、電流、功率、時間、剩余金額、階梯電價等信息，以及電表編程狀態(tài)、故障等標(biāo)志。同時，LCD顯示具備自動循環(huán)顯示和按鍵循環(huán)顯示兩種方式。其中，自動

16、循環(huán)顯示是指按照一定的順序顯示出與用戶電費密切相關(guān)的電能信息，按鍵循環(huán)顯示是指用戶可以根據(jù)需要通過按操作來顯示自己比較關(guān)心的電能相關(guān)信息；而對于遠程費控電能表，電費的計量在遠程售電系統(tǒng)中完成，表內(nèi)不顯示與電費、電價相關(guān)信息，在國家電網(wǎng)相關(guān)規(guī)范中，單相遠程費控智能電能表默認的顯示項如下表所示：繼電器控制部分用于接收遠程售電系統(tǒng)下發(fā)的拉、合閘命令，通過繼電器的通斷來實現(xiàn)對用戶用電情況的控制。紅外通信部分，通過傳輸，完成與掌上抄表機之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)電力部門抄表工作人員對用戶電能表數(shù)據(jù)的抄讀。RS485通信部分，通過485總線實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)與遠程售電系統(tǒng)計算機的通信功能，同時，電能表中的單片機

17、也可接收上位機下發(fā)的遠程拉合閘命令，從而實現(xiàn)相關(guān)的遠程控制功能。脈沖、拉閘、報警部分為LED狀態(tài)指示燈。其中，脈沖指示燈為紅色，當(dāng)電能表每采樣計量一個脈沖時，脈沖指示燈點亮一次；拉閘指示燈為黃色，平時處于熄滅狀態(tài)，當(dāng)負荷開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，拉閘指示燈亮；報警指示燈為紅色，正常情況下處于熄滅狀態(tài)，當(dāng)報警時，處于常亮狀態(tài)，以提醒和警示用戶相關(guān)信息。微控制器78K0527A在整個系統(tǒng)中，微控制器即MCU是核心控制部件，電能表系統(tǒng)中微控制器主要功能包括從電能計量芯片讀取相關(guān)電能數(shù)據(jù)以及信息的處理、累計脈沖計數(shù)、從時鐘模塊讀取相應(yīng)時間、電能數(shù)據(jù)的報警和顯示、電能數(shù)據(jù)的通信和遠程傳輸?shù)?。其性能的高低直接關(guān)

18、系到電能功能功能的實現(xiàn)。因此，選擇一款高性能的MCU，對整個電能表系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，MCU的選擇應(yīng)考慮到以下幾個方面：要有足夠大的存儲空間；要有足夠多的通用輸入輸出接口；較低的功耗；具有串行通信接口；具有功能強大的定時/計數(shù)器；較高的性價比。綜合考慮以上各方面因素，在MCCU的選擇上，采用78K0系列8位微控制器，78K0系列單片機是一種功能強大，同時有著較高性價比的高性能微控制器。該系列單片機功耗低、精度高、內(nèi)置上電復(fù)位清零電路以及獨立源看門狗電路，廣泛應(yīng)用于智能儀表，工業(yè)控制，汽車電子等領(lǐng)域。而本系統(tǒng)在硬件設(shè)計時，選擇78K0527A作為系統(tǒng)的

19、控制核心NEC開發(fā)的78K0系列MCU的主要特性包括有時鐘監(jiān)視器的安全保險電路和獨立于主時鐘的內(nèi)部時鐘，看門狗計時器，片內(nèi)振蕩器以及低電壓指示器功能。此外，一些擁有更多引腳的78K0系列MCU具有用來進行軟件開發(fā)的片內(nèi)調(diào)試器功能，能用真實的MCU來進行軟件開發(fā)，從而使開發(fā)實際情況更加接近。78K0系列MCU工作速度20MHz，CPU處理速度比10MHz的78K0系列MCU增加了100%。78K0系列MCU有片內(nèi)安全功能，能檢測到由電磁干擾或靜電所引起的誤操作，使系統(tǒng)更加安全和可靠。與其他類型的單片機相比，NEC的78K0系列MCU最大特點：內(nèi)置高精度的環(huán)形振蕩器，在特定的溫度范圍內(nèi)，精度可達到

20、0.1%。功耗低，寬電壓范圍，抗干擾能力強。具有I2C和SPI串行總線接口。帶有功能強大的定時/計數(shù)器。支持在線編程。自帶仿真工具和程序燒寫功能。內(nèi)置上電復(fù)位清零電路，低電壓偵測電路和獨立源看門狗電路，無需其他外圍元件的配合。多個保護模塊：看門狗電路、時鐘監(jiān)控、低壓報警等，能保證整個系統(tǒng)的工作可靠。低價位開發(fā)工具，便捷的開發(fā)環(huán)境。比較器/外部中斷能實現(xiàn)硬件的禁止輸出功能，反應(yīng)快速，保證安全。支持通過串行通信接口，完成對產(chǎn)品的在線升級功能。本設(shè)計中選用的78K0527A微控制器，具有4組8位通用寄存器，128KB的ROM，1KB的RAM，內(nèi)置單電源flash存儲器，內(nèi)置上電清零電路和低電壓檢測器

21、、看門狗定時器、按鍵中斷功能、時鐘輸出控制器以及7通道定時器，同時，指令的最短執(zhí)行時間可以在高速和超低速之間改變。信號采樣模塊電路由于電能表所在的供電線路是220伏的高壓線路，而專用計量芯片所處理的信號，是一定范圍內(nèi)的小的電壓和電流信號，因此，必須對電壓、電流信號進行高精度的采樣，使采樣值在電能專用計量芯片所能處理的工作范圍內(nèi)。同時又要完成電能專用計量芯片與電能表所在的高壓電力線路之間的電氣隔離。在實際中，比較常見的是采用電壓互感器和電流互感器來對模擬的電壓和電流信號進行采樣，或采用電阻分壓和分流來采樣模擬的電壓、電流信號。電壓互感器實際上可通俗的理解為一個帶有鐵心的變壓器。它主要由一、二次線

22、圈、絕緣體以及鐵心組成。根據(jù)變壓器原理可知，改變一次或二次繞組的匝數(shù)，就可以產(chǎn)生不同的電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將較高的電壓值按特定比例轉(zhuǎn)換成相對較低的電壓，電壓互感器一次側(cè)通常接在一次系統(tǒng)中，而其二次側(cè)通常接測量儀表、繼電保護等。電流互感器依據(jù)電磁原理制成的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。其中，一次繞組匝數(shù)較少，二次繞組匝數(shù)較多，工作時串接在測量儀表電路中。電流互感器在工作時，它的2次回路始終閉合，因此，電流互感器的工作狀態(tài)接近于短路。在測量交變電流的大電流時，電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。電流互感器一次側(cè)通常接在一次系統(tǒng)中，而二次側(cè)通常接地。采用電阻分壓和

23、分流的方法來采樣模擬電壓、電流信號，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但缺點是不能實現(xiàn)電氣隔離。綜合考慮以上兩種采樣方式，本系統(tǒng)設(shè)計時，電壓信號采樣采用電阻分壓方式，而電流信號采樣采用電流互感器方式。在電壓信號采樣時，通過串聯(lián)電阻分壓方式來實現(xiàn)，電阻規(guī)格為104-F（105）,并采用由規(guī)格為202-F（2000）的電阻和333-K（0.033F）的電容組成濾波電路進行濾波處理，最后將信號進行差分輸入，以提高抗干擾能力，信號采樣后接電能專用計量芯片進行電能計量的相關(guān)處理，信號輸入端V3P,V3N分別接計量芯片。電壓信號采樣電路，如下圖所示。圖2 電壓信號采樣電路在電流信號采樣時，采用電流互感器（英文縮寫為

24、CT）來實現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)相應(yīng)電能專用計量芯片的性能，采用雙通道采樣，采樣兩路電流信號。并通過由電阻和電容組成的濾波電路，進行濾波處理，最后，將采集到的信號經(jīng)過兩路差分輸入信號端送電能專用計量芯片進行相關(guān)功率計量的處理。電流信號采樣電路，如下圖所示。圖3 電流信號采樣電路電能專用計量芯片的選擇與計量模塊當(dāng)前，在各類單相、三相電能表中，廣泛使用的是各種高精度的電能專用計量芯片。在本設(shè)計中計量部分選用的是高性能計量芯片ATT7053A。ATT7053A是一顆帶SPI接口的單相多功能計量芯片，工作電壓范圍是3.0V3.6V，晶振頻率為5.5296MHz。其整體結(jié)構(gòu)框圖如下：圖4 計量專用芯片結(jié)構(gòu)

25、圖采用三路19位-模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率28K/14K/7KHz可調(diào)；支持2000:1的動態(tài)范圍；用戶可以同時得到兩個通道的有功功率、無功功率；支持有功功率、無功功率、視在功率和電能脈沖輸出；能夠同時得到三通道的有效值，及電壓頻率，電壓電流相位；支持SPI，能夠讀取參數(shù)，校表，速度可達1Mbps；中斷支持：過零中斷，采樣中斷，電能脈沖中斷，校表中斷等；支持斷相防竊電；片內(nèi)溫度傳感器；NORM全速運行功耗小于4.5mA,斷相防竊電降頻運行功耗小于2mA；VDCIN/ADCIN功能，方便用戶做電源檢測和電池檢測；電源監(jiān)測功能：BOR，LBOR功能。該電能專用計量芯片的工作原理是：首先通過對采樣的一路電

26、壓信號，兩路電流信號分別進行信號的放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過濾波處理，最后送電能處理單元進行相關(guān)信號處理，完成對電壓、電流有效值，功率因數(shù)，以及有功功率、無功功率、視在功率的測量，并進過功率頻率轉(zhuǎn)換，輸出與功率成正比的脈沖信號，最后通過MCU累計脈沖計數(shù)，完成對電能的計量。時鐘模塊電路時鐘模塊用于顯示當(dāng)前日期和時間，通過I2C總線方式與MCU相連，MCU讀取當(dāng)前時鐘信息，并根據(jù)相應(yīng)的時段費率，進行電能數(shù)據(jù)的相關(guān)計算和處理。而電能的計量和計費與用戶的利益切身相關(guān)，這就要求時鐘部分具備較高的精度和準(zhǔn)確度，同時時鐘的功耗應(yīng)較低。I2C總線通訊方式I2C總線是一種串行通訊的國際標(biāo)準(zhǔn)，

27、I2C總線具有如下特征：僅要求具備兩條總線線路：串行數(shù)據(jù)線（SDA）與串行時鐘線（SCL）?？偩€上連接的各個器件都可以通過唯一的地址與長期存在的簡單的主機/從機關(guān)系設(shè)計地址。真正意義上的多主機總線，當(dāng)多個主機同時初始化數(shù)據(jù)傳輸時，可以通過沖突檢測以及仲裁功能來防止數(shù)據(jù)遭到破壞。片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)上的雜波干擾，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。I2C總線支持任何IC生產(chǎn)過程，串行數(shù)據(jù)線和串行時鐘線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個器件都有一個唯一的地址識別，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。SDASCL均為雙向線路，通常采用一個上拉電阻連接到正的電源電壓，當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，這兩條線路都處在高電

28、平。連接到總線的器件輸出級漏極或集電極必須處于開路狀態(tài)，才能執(zhí)行相關(guān)的線與功能。電源模塊系統(tǒng)的電源模塊部分，主要用于給微控制器（MCU）、時鐘芯片以及相關(guān)用電部分提供電能，而電能表所在的電力線網(wǎng)絡(luò)又是220V的高壓，因此，必須進行相關(guān)相應(yīng)的降壓、整流、穩(wěn)壓以及濾波處理過程，才能用于給整個電能表系統(tǒng)相關(guān)用電部分供電。同時為防止供電線路故障以及其他偶然因素造成斷電現(xiàn)象的發(fā)生，還必須給電能表系統(tǒng)準(zhǔn)備備用電源，本系統(tǒng)在設(shè)計時選用鋰電池作為備用電源。系統(tǒng)在電源模塊電路設(shè)計時，首先對電力線電壓通過變壓器進行降壓，然后經(jīng)整流，以及三端穩(wěn)壓器78L05進行穩(wěn)壓，最后經(jīng)濾波處理，得到的5伏的低壓穩(wěn)定電源。存儲器

29、模塊單相費控智能電能表在實際工作中，要對用戶的當(dāng)前用電數(shù)據(jù)、歷史用電數(shù)據(jù)、事件記錄以及凍結(jié)數(shù)據(jù)等進行大量數(shù)據(jù)的存儲，這就要求大容量的存儲芯片，同時，又要保證用戶用電數(shù)據(jù)在各種突發(fā)事件而造成的掉電事故影響下，用電數(shù)據(jù)的長時間保留。因此，在對系統(tǒng)存儲器模塊進行設(shè)計時，選用CATALYST公司生產(chǎn)的AT24C256。AT24C256是一個256K位的串行CMOS可擦可編程存儲器即E2PROM，與I2C總線兼容。工作電壓為1.8伏到6伏，該芯片功耗低，具有寫保護功能，可靠性高，64字節(jié)頁寫緩沖器，擦寫次數(shù)高達100萬次，在掉電狀態(tài)下，數(shù)據(jù)可保持長達100年不變，能較好的滿足費控智能電能表對存儲器的要求

30、。存儲器及其外圍電路如下圖所示。圖5 存儲器模塊電路設(shè)計LCD顯示模塊單相遠程費控智能電能表不需要在表內(nèi)實現(xiàn)預(yù)付費功能，電費的計算在遠程售電系統(tǒng)中完成，表內(nèi)不顯示與電費、電價相關(guān)的信息。只顯示當(dāng)前用戶各時段的電量以及組合總電量。遠程售電系統(tǒng)通過虛擬介質(zhì)（主要是載波和RS485通信）對費控電能表下發(fā)復(fù)費率時段表、電量結(jié)算日等信息。系統(tǒng)在顯示部分設(shè)計時，選用THR2760型液晶顯示器以及HL6024型液晶驅(qū)動芯片。其中HL6024是一種能和任意的具有低復(fù)用速率的液晶顯示器接口的外圍驅(qū)動器。能對任意靜態(tài)或復(fù)合態(tài)的LCD，能產(chǎn)生高達24段的驅(qū)動信號，并且通過級聯(lián)方式能輕松實現(xiàn)大型LCD應(yīng)用。HL602

31、4能和大多數(shù)微控制器實現(xiàn)兼容，并通過兩線雙向的二線-串行通信總線通訊。同時，由于帶自動地址增量的顯示RAM，使得通訊開銷可大幅度降低。HL6024是一款1/4DUTY和1/3BIAS的通用LCD驅(qū)動顯示電路，共有24各SEG輸出端口和4個COM輸出端口，直接和LCD相連可驅(qū)動96段液晶，當(dāng)少于24段SEG和4段COM時，不用的段可空出。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送給HL6024后，HL6024根據(jù)初始地址把數(shù)據(jù)依次填入相應(yīng)的RAM中，由驅(qū)動電路把相應(yīng)的驅(qū)動電平信號送至液晶。RS485通訊模塊RS485通訊接口是串行接口的標(biāo)準(zhǔn)之一，是在RS-232的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種串行通信方式，通常在要求遠距離通訊時，廣泛采

32、用RS485的串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收的方式，這就使得該通信方式具備了很強的抗共模干擾能力。RS485通信解決了電能表數(shù)據(jù)的遠程通信和控制問題，使電能表與電力部門的遠程售電系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實。另外，由于PC機默認的是只帶有RS-232的接口，通常需要通過RS232轉(zhuǎn)RS485電路，從而將PC機串口的RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號。在國家電網(wǎng)公司智能電能表的功能規(guī)范中對于RS485通訊部分指出，智能電能表的RS485通訊部分要滿足：RS485接口必須和電能表內(nèi)部電路實行電氣隔離，并有失效保護電路；RS485接口應(yīng)滿足DL/T645-2007電氣要求，并能承受380V交

33、流電壓；RS485接口通信速率可靈活設(shè)置；RS485通信遵循DL/T645-2007協(xié)議及其備案文件。ESAM安全模塊在國家電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中指出，ESAM安全模塊必須嵌入在設(shè)備內(nèi)，用以實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ堋SAM安全模塊，是英文EmbeddedSecureAccessModule的縮寫，即嵌入式認證加密模塊，是指一種嵌入式的安全控制模塊。ESAM安全模塊采用專用的智能卡芯片模塊封裝形式，系統(tǒng)是建立的在專用的高性能的安全微處理器的硬件平臺基礎(chǔ)上的，同時在安全模塊內(nèi)部，擁有獨立的片上操作系統(tǒng)，除了具備防檢測、抗攻擊等硬件特性外，

34、還具有安全的文件密鑰管理，標(biāo)準(zhǔn)的加解密運算功能，完善的安全機制等特性。ESAM安全模塊最主要的應(yīng)用模式是嵌入到某些專用設(shè)備或儀器中，一方面可作為設(shè)備的唯一標(biāo)識，提供安全的硬件平臺以存儲密鑰和相關(guān)重要數(shù)據(jù)外，另一方面，還可以利用模塊內(nèi)置算法完成數(shù)據(jù)的加密解密、雙向身份認證、訪問權(quán)限控制以及臨時過程密鑰導(dǎo)出等多種功能?？蓮V泛應(yīng)用于需要加密或身份認證功能的智能設(shè)備中。正是基于上述功能，ESAM安全模塊廣泛應(yīng)用于智能電表，通信設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)安全等眾多領(lǐng)域。在國家電網(wǎng)公司智能電能表的功能規(guī)范中對ESAM安全認證部分指出，智能電能表的安全認證部分必須滿足：通過固態(tài)介質(zhì)或虛擬介質(zhì)對電能表進行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存電費

35、、以及下發(fā)遠程控制命令操作時，需通過嚴(yán)格的密碼驗證及ESAM模塊等安全認證，以確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。ESAM模塊的加密算法應(yīng)采用國密算法。信號輸出模塊電路在國家電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范中，對智能電表信號輸出部分指出，智能電能表的信號輸出部分主要包括電能量脈沖輸出、多功能信號輸出以及控制輸出三部分：電能量脈沖輸出智能電能表應(yīng)具備與所計量的電能量成正比的光脈沖輸出和電脈沖輸出；光脈沖輸出采用超亮、長壽命LED指示燈；電脈沖輸出必須采用電氣隔離措施。多功能信號輸出智能電表的多功能信號端子應(yīng)可輸出時間信號、需量周期信號或時段切換信號，以便檢測人員檢測。其中，時間信號為秒信號，需量周期信號、時段切換信號為80m

36、s20ms的脈沖信號。控制輸出智能電能表可輸出脈沖或電平開關(guān)信號，控制外部報警裝置或負荷開關(guān)。載波模塊電力線載波通信技術(shù)是指利用現(xiàn)有的輸配電電力線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換的一種技術(shù)。電力線載波通信主要采用的是通過載波調(diào)制技術(shù)，其最大的優(yōu)是無需另外架設(shè)新的通信網(wǎng)絡(luò)線路，存在的不足主要是電力線路存在較強的噪聲干擾以及電力線網(wǎng)絡(luò)對傳輸信號的衰減較大。在國家電網(wǎng)公司的相關(guān)規(guī)范中，對智能電能表的載波模塊部分指出：智能電能表可配置窄帶或?qū)拵лd波模塊；智能電能表與載波通信模塊之間的通訊遵循DL/T645-2007協(xié)議及其備案文件；若采用外置式載波通訊模塊，為保護電能表，載波通信接口必須有失效

37、保護電路；在載波通信時電能表的計量性能、存儲的計量數(shù)據(jù)以及參數(shù)不應(yīng)受到影響和改變。繼電器控制模塊繼電器控制部分用于對用戶的用電情況進行相應(yīng)控制，當(dāng)用戶電能表剩余金額為0時，上位機下發(fā)允許拉閘命令，繼電器斷開，停止供電。當(dāng)接收到用戶續(xù)交電費信息后，上位機下發(fā)允許合閘命令，繼電器閉合，恢復(fù)供電。系統(tǒng)繼電器控制部分電路如下圖所示。圖6 繼電器控制模塊電路設(shè)計二、單相費控智能電能表的主要功能電量計量（1）具有正、反向有功電能計量功能，能存儲其數(shù)據(jù)，（2）能存儲上3個月的總電能和各費率電能量；數(shù)據(jù)存儲分界時刻為月末24時。電量凍結(jié)電量凍結(jié)可以凍結(jié)正向（反向）有功電量，具體分為以下幾種情況：（1）按RS-

38、485通訊規(guī)約方式凍結(jié)。（2）定時凍結(jié)：電表按照用戶約定的時間及間隔凍結(jié)電能量數(shù)據(jù)；每個凍結(jié)量保存12次。（3）瞬時凍結(jié)：在非正常情況下，凍結(jié)當(dāng)前的日歷、時間、所有電能量和有功功率的數(shù)據(jù)；瞬時凍結(jié)量保存最后3次的數(shù)據(jù)。（4）約定凍結(jié)：在新老兩套費率/時段轉(zhuǎn)換、階梯電價轉(zhuǎn)換或電力公司認為有特殊需要時，凍結(jié)轉(zhuǎn)換時刻的電能量以及其他重要數(shù)據(jù)，保存最后2次凍結(jié)數(shù)據(jù)。（5）日凍結(jié)：存儲每天零點時刻的電能量，存儲60天的數(shù)據(jù)。（6）整點凍結(jié)：存儲整點時刻或半點時刻的有功總電能和無功總電量以及凍結(jié)時間，可存儲96個數(shù)據(jù)。凍結(jié)內(nèi)容及對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識均符合DL/T6452007及其備案文件要求，凍結(jié)電量可通過用戶

39、卡、檢查卡或其它通信接口抄出，便于進行用電量分析和線損統(tǒng)計。清零電能表只有在被授權(quán)及通過安全驗證的情況下能進行電量清零操作，清除電表內(nèi)部存儲的電能量、凍結(jié)量、事件記錄等數(shù)據(jù)。永久記錄電能表清零事件的發(fā)生時刻及清零時的電能量數(shù)據(jù)。時鐘具有日歷、計時和閏年自動轉(zhuǎn)換功能。日歷、時鐘均可通過RS485、紅外數(shù)據(jù)接口等進行設(shè)置和調(diào)整，設(shè)置時需按下編程鍵，進入編程狀態(tài)。安全認證對電能表進行參數(shù)設(shè)置命令操作時，需通過嚴(yán)格的密碼驗證等安全認證，以確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。電力參數(shù)測量及監(jiān)測智能電表能測量、記錄、顯示當(dāng)前電壓、電流（包括零線電流）、有功功率、功率因數(shù)等運行參數(shù)。測量誤差（引用誤差）1以內(nèi)。事件記錄電

40、量的事件記錄功能可以記錄對電表的編程和清零操作以及電表運行狀態(tài)，具體分為以下幾種情況：1、永久記錄電能表清零事件的發(fā)生時刻及清零時的電能量數(shù)據(jù)。2、記錄編程總次數(shù)，最近10次編程的時刻、操作者代碼、編程項的數(shù)據(jù)標(biāo)識。3、記錄校時總次數(shù)（不包含廣播校時），最近10次校時的時刻、操作者代碼。4、記錄掉電的總次數(shù)，最近10次掉電發(fā)生及結(jié)束的時刻。計時功能采用內(nèi)置帶溫度補償?shù)挠布r鐘電路，具有日歷、計時、閏年自動轉(zhuǎn)換功能；內(nèi)部時鐘端子輸出頻率為1Hz。電能表可接受的廣播校時范圍不大于5min；廣播校時無需編程鍵和通訊密碼配合；每天只允許校對一次，且應(yīng)避免在電能表執(zhí)行凍結(jié)或結(jié)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存操作前后5min內(nèi)

41、進行。顯示功能該電能表采用大屏幕寬溫中文字符液晶顯示，具有防紫外線功能，在正常使用情況下，LCD壽命大于10年。電能表具備自動循環(huán)和按鍵兩種顯示方式；自動循環(huán)顯示時間間隔可在520秒內(nèi)設(shè)置；液晶顯示關(guān)閉后，可用按鍵喚醒液晶顯示；通訊功能具有一個紅外通信接口、一個RS485通信接口，通信接口物理層彼此獨立，一種通信信道的損壞不影響其它信道。電能表通過通信接口可以與手持終端、數(shù)據(jù)采集器、檢測設(shè)備、計算機等進行數(shù)據(jù)傳輸、廣播對時設(shè)置、抄讀、編程、管理等。通訊規(guī)約符合DL/T645-2007標(biāo)準(zhǔn)。RS485通信傳輸速率允許在1200bps、2400bps、4800bps、9600bps中選擇，缺省設(shè)置

42、為1200bps。RS485通信接口和電能表內(nèi)部電路實現(xiàn)電氣隔離，具有失效保護電路。通信接口通過電氣性能、抗干擾試驗，符合DL/T6142007的要求。載波模塊接口與RS485接口物理層相互獨立，一個通信接口的損壞不影響其它通信接口正常工作。端口輸出電能表具備與所計電能成正比的光脈沖測試輸出和電脈沖測試輸出功能。光脈沖測試輸出裝置的特性符合GB/T17215.211-2006的要求。電脈沖測試輸出為光隔離無源輸出,脈寬為80ms20ms，輸出裝置的特性符合GB/T15284-2002的要求。電能表具備秒時間信號輸出端子。報警功能當(dāng)電表出現(xiàn)下列故障時,在循環(huán)顯示第一項顯示報警代碼或報警提示，并且

43、LCD背光燈持續(xù)點亮：當(dāng)電能表出現(xiàn)故障時，顯示出錯信息碼。編程密碼和安全保護電能表應(yīng)具備編程開關(guān)和編程密碼雙重防護措施，以防止非授權(quán)人進行編程操作。電能表僅在允許編程狀態(tài)才能進行編程操作，廣播校時和讀表操作不受編程開關(guān)的控制。編程開關(guān)編程開關(guān)采用按鍵式設(shè)計，且只有在打開封印后方能觸及到編程開關(guān)。在可編程狀態(tài)下，若240分鐘內(nèi)沒有任何操作，電能表將自動關(guān)閉編程狀態(tài)。編程密碼電能表需先通過編程密碼驗證才能執(zhí)行編程或其他特殊操作。密碼采用兩級管理，每一級密碼由6位阿拉伯?dāng)?shù)字組成；密碼權(quán)限等級不同，可執(zhí)行的操作不同。具有高等級密碼權(quán)限的人員，可修改低等級密碼，并執(zhí)行低等級密碼的所有操作。連續(xù)3次密碼輸入錯誤，電能表將自動關(guān)閉編程功能24小時。閥控密碼電能表閥控密碼支持遠程停送電。三、單相費控智能電能表的應(yīng)用與發(fā)展方向1）結(jié)算和帳務(wù)。通過智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、實時的費用結(jié)算信息處理，簡化了過去帳務(wù)處理上的復(fù)雜流程。在電力市場環(huán)境下，調(diào)度人員能更及時、便捷地轉(zhuǎn)換能源零售商，未來甚至能實現(xiàn)全自動切換。同時用戶也能獲得更加準(zhǔn)確、及時的能耗信息和帳務(wù)信息。2）配網(wǎng)狀態(tài)估計。目前，配網(wǎng)側(cè)的潮流分布信息通常很不準(zhǔn)確，主要