CN111337871A - 一种电能表及终端通讯模块io口电平可调节电路 - Google Patents

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王轶群
赵云斌
郝凤柱
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张鸷
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张洪忠
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Abstract

本发明提供一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路设计，包括可调电源模块，可调电源模块主要由MP2451电源芯片和可编程精密可调电阻器等元件构成，且调节、控制上拉电阻上端的电压值；通讯链路，通讯链路由RS232芯片、CD4052芯片和单、三相载波模块接口等元件组成通信路径，通讯链路与可调电源模块连接；主控模块，主控模块由FM33A048芯片及其最小系统电路组成，主控模块与通讯链路相连，并控制通讯链路中通道选择，以及单、三相通讯模块相应管脚，可用于电力行业通信模块与本体之间通信可靠性的测试，能够灵活设置上拉电阻上端电压值，测试通信可靠性区间，为通信的可靠性、稳定性提供电平保障。

Description

一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路
技术领域
本发明涉及电力行业通信技术领域，特别是，涉及一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路。
背景技术
目前，随着大规模集成电路的发展，芯片集成化丰富多样，复杂功能的实现电路我们已经很难看到，取而代之的是功能的实现和简明的外接引脚。
这样一来会使设计人员，尤其是初入门的设计人员在电路设计方面往往只是根据功能去设计电路，忽略了各个芯片之间的电平匹配性、阻抗匹配性、性能完整性等要求，而这些要求往往是电路能够长期稳定工作的最基本保障。
如何确保芯片与芯片之间的通讯链路电平匹配，确保通讯的稳定性、信号的真实性成为设计人员需要关注的焦点。目前，在电路设计方面，不同模块之间的连接主要分为以下几种：
其一、直接连接；
其二、串接电阻相连接；
其三、串接电阻并配有上拉或下拉电阻相连接；
其四、通过三极管相连接；
以上四种方法电能表及采集终端硬件电路中最常使用的连接方式，由上到下，优越性逐次递增，这样做的目的在于使不同模块或不同芯片之间的电平匹配、电流在合理范围，如何动态的研究芯片外围IO引脚电平变化对自身功能影响及对其它模块IO口的影响成为本发明论述的重点，尚未发现这方面研究文章。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中无法动态的研究芯片外围IO引脚电平变化对自身功能影响及对其它模块IO口的影响的缺陷，从而提供一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路设计。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，包括可调电源模块，所述可调电源模块主要由电源芯片和可编程精密可调电阻器等元件构成，且调节、控制上拉电阻上端的电压值，通讯链路，所述通讯链路由通信芯片、逻辑开关芯片和单、三相载波模块接口等元件组成通信路径，所述通讯链路与所述可调电源模块连接，主控模块，所述主控模块由发射芯片及其最小系统电路组成，所述主控模块与所述通讯链路相连，并控制所述通讯链路中通道选择，以及单、三相通讯模块相应管脚。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述电源芯片具体为MP2451电源芯片为高频降压集成开关稳压器，所述MP2451电源芯片输出电压由输出Vout1与芯片FB脚之间的电阻和FB脚到GND之间的电阻值决定的，可以表示为：
Vout1＝VFB(Ra+Rb)/Ra
其中，VFB为参考电压，一般为0.8V，Ra代表MP2451的FB脚与GND之间的电阻值，Rb值一般为120KΩ左右。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述MP2451电源芯片通过端口完成对于可编程精密可调电阻器输出电阻值的设定。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述通信芯片和所述逻辑开关芯片具体分别为RS232芯片与CD4052芯片。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述RS232芯片接收来自上位机指令，经过所述CD4052芯片内通道选择，最终将指令传送至单、三相载波模块。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述发射芯片具体为FM33A048芯片，且所述FM33A048芯片及其最小系统主要由外部时钟电路、调试接口及相应阻值的电容组成。
作为本发明所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路的一种优选方案，其中：所述FM33A048芯片通过RS232芯片与上位机建立连接，以此实现上位机与单、三相载波模块通信。
本发明的有益效果：
本发明提供一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路设计，可用于电力行业通信模块与本体之间通信可靠性的测试，能够灵活设置上拉电阻上端电压值，测试通信可靠性区间，为通信的可靠性、稳定性提供电平保障。可测试的通信模块种类丰富，有单、三相载波通信模块，微功率无线通信模块、终端本地载波通信模块、终端本地无线通信模块、终端远程通信模块等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明整体电路结构示意图；
图2为本发明中可调节电源模块具体电路示意图；
图3为本发明中通讯链路的具体电路示意图；
图4为本发明中主控模块具体电路示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本实施例提供了一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路设计，如图1～4所示，其特征在于：包括可调电源模块，可调电源模块主要由MP2451电源芯片和可编程精密可调电阻器等元件构成，且调节、控制上拉电阻上端的电压值；通讯链路，通讯链路由RS232芯片、CD4052芯片和单、三相载波模块接口等元件组成通信路径，通讯链路与可调电源模块连接；主控模块，主控模块由FM33A048芯片及其最小系统电路组成，主控模块与通讯链路相连，并控制通讯链路中通道选择，以及单、三相通讯模块相应管脚。
进一步地，可调电源模块用于控制输出电压Vout的大小，由MP2451电源芯片和AD5270精密可调电阻器及电阻、电容、二极管、电感等元器件组成。MP2451是一个高频(2Mhz)降压集成开关稳压器，内部高压侧功率MOSFET，最大可提供0.6A的供电电流，输入电压范围宽，可在3.3V～36V之间，可容纳各种降压。MP2451的输出电压与输入无关，仅仅由输出Vout1与芯片3脚(FB脚)之间的电阻和3脚到GND之间的电阻值决定的，可以表示为：
Vout1＝VFB(Ra+Rb)/Ra
其中，VFB为参考电压，一般为0.8V，Ra代表MP2451的3脚(FB脚)与GND之间的电阻值，即为图中芯片AD5270芯片2脚(A脚)与3脚(W脚)之间的电阻值，Rb为图中Rp1和Rp2之和。通过改变Ra和Rb的阻值就可以改变输出电压值，在图中，规定Rb值(即Rp1+Rp2值)一般在120KΩ左右，通过改变Ra的阻值来控制输出电压值，即通过控制AD5270芯片2脚与3脚之间的电阻值来控制输出电压值。
AD5270为可编程精密可调电阻器，通常有三款阻值类型，分别为20KΩ，50KΩ，100KΩ标称电阻值，单通道，1024/256为分辨率，最大±1％标称电阻器容限误差，芯片通过SPI接口对外通讯，可通过此端口完成输出电阻值的设定。
在第一部分电路，MP2451的5脚(VIN脚)为电源输入脚，输出电源规定为24V，Rp3和Rp4为分压电阻，将分压值(VRp4)引入MP2451的4脚(EN脚)，当此引脚的电平高于1.5V时芯片开始工作，此引脚浮空或直接接GND时，芯片不工作。Dp1采用SS14低导通电压值、高开关频率的肖特基二极管，用于切换节点，Dp1应靠近芯片6脚(SW脚)放置，Cp4为滤波电容，Cp3为旁路电容，电感Lp1的电感值会影响输出电压VOUT波形的稳定性及输出电流值，Cp1，Cp2用于滤波，去除输出波形中的高频分量，稳定输出电压。
AD5270芯片外围配的器件有R1，C1，C2，C4。其中，R1为上拉电阻，为了稳定AD5270芯片SDO引脚电平，确保该脚电平为3.3V或GND；C1,C2为滤波电容；AD5270的5脚(EXT_CPA脚)外接电容C4，容值为1uf，耐压要大于7V。电容要紧靠芯片引脚放置。AD5270的7脚(SDO脚)，8脚(DIN脚)，9脚(SCLK脚)，10脚(/SYNC脚)为SPI通信方式所需的引脚，以AD5270芯片为参考，7脚为数据输出引脚，网络标号为SDO与主控芯片MCU的SPI0-MISO脚相连；8脚为数据输入引脚，网络标号为SDI与主控芯片MCU的SPI0-MOSI脚相连；9脚为时钟引脚，网络标号为CLK与MCU的SPI0-SCK脚相连；10脚为使能引脚，网络标号为CS与MCU的SPI0-NSS脚相连；主控芯片与AD5270之间可以通过这四根线进行通信，即MCU可以通过这四根线控制AD5270，调节AD5270的2脚(A脚)和3脚(W脚)之间的电阻值。
通过第一部分可控电路的设计可以调节输出电压VOUT1的值，常用的电压等级有5V,3.3V,通过向MCU下发参数来控制AD5270输出2脚与3脚的电阻值，规定2脚与3脚之间的电阻值用RAW来表示，当RAW＝22.7KΩ时，第一部分输出电压为5V，当RAW＝38.5KΩ时，第一部分输出电压为3.3V；输出电压可通过RAW来控制，用公式表示如下：
Vout1＝0.8*(RAW+Rb)/RAW
规定Rb＝120KΩ，RAW单位为KΩ，则有：
Vout1＝0.8*(RAW+120)/RAW
进一步地，通讯链路主要由RS232芯片、CD4052芯片、单三相载波模块接口及电容、电阻等元件组成。第一部分的输出连接到第二部分的上拉电阻R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8的上端，如上图所示，通过第一部分输出电压的变化来控制上拉电阻上端的电压值，进而测试对应线路信号传输过程中的稳定性。
在第二部分电路中，U4、U3、J1可以组成一条数据传输通路，上位机通过串口发送命令给U4，在经过U3通道选择，传送给单、三相载波模块。其中，C3为滤波电容；C5,C6,C7,C8为匹配电容；R10,R12为限流电阻；网络标号TX1_232为RS232串口数据输出端，RX1_232为RS232串口数据输入端；CD4052为双4选一芯片，用于通道切换。当U3(CD4052芯片)的9脚(B脚)＝0，10脚(A脚)＝1时，上位机与单、三相通信模块通信；当9脚(B脚)＝0，10脚(A脚)＝0时，上位机与第三部分电路中的MCU建立通信。
进一步地，主控模块为FM33A048MCU的最小系统。主要由外部时钟电路、调试接口及相应阻值的电容组成；R17，R18，R19组成分压电路，用于监测主控电路供电情况，当5V电压低于一定阈值到时分压值小于芯片内部设定值时，芯片停止工作，主控模块有两个作用：
其一、控制和监测单、三相载波模块相应管脚,对应图中网络标号为/SET,RST,STA,EVENT7；可以通过改变上拉电阻上端电压值，来判断上拉电压改变是否会影响模块复位等功能。
其二、通过控制CD4052芯片A、B引脚来切换通道。当A＝0,B＝0时，上位机通过RS232串口与FM33A048芯片建立连接，下发命令给FM33A0A48；当A＝1，B＝0时，上位机与单、三相通信模块通信；
通过以上电路可以实现电能表及终端通信模块IO电平的调节，测试IO口电平变化后对通信影响及影响程度。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：包括，
可调电源模块，所述可调电源模块主要由电源芯片和可编程精密可调电阻器等元件构成，且调节、控制上拉电阻上端的电压值。
通讯链路，所述通讯链路由通信芯片、逻辑开关芯片和单、三相载波模块接口等元件组成通信路径，所述通讯链路与所述可调电源模块连接。
主控模块，所述主控模块由发射芯片及其最小系统电路组成，所述主控模块与所述通讯链路相连，并控制所述通讯链路中通道选择，以及单、三相通讯模块相应管脚。
2.根据权利要求1所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述电源芯片具体为MP2451电源芯片为高频降压集成开关稳压器，所述MP2451电源芯片输出电压由输出Vout1与芯片FB脚之间的电阻和FB脚到GND之间的电阻值决定的，可以表示为：
Vout1＝VFB(Ra+Rb)/Ra
其中，VFB为参考电压，一般为0.8V，Ra代表MP2451的FB脚与GND之间的电阻值，Rb值一般为120KΩ左右。
3.根据权利要求1或2所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述MP2451电源芯片通过端口完成对于可编程精密可调电阻器输出电阻值的设定。
4.根据权利要求1所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述通信芯片和所述逻辑开关芯片具体分别为RS232芯片与CD4052芯片。
5.根据权利要求4所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述RS232芯片接收来自上位机指令，经过所述CD4052芯片内通道选择，最终将指令传送至单、三相载波模块。
6.根据权利要求1所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述发射芯片具体为FM33A048芯片，且所述FM33A048芯片及其最小系统主要由外部时钟电路、调试接口及相应阻值的电容组成。
7.根据权利要求5或6所述电能表及终端通讯模块IO口电平可调节电路，其特征在于：所述FM33A048芯片通过RS232芯片与上位机建立连接，以此实现上位机与单、三相载波模块通信。
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