CN203929881U - 一种电能计量芯片及智能电表卡隔离装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电力领域，提供一种电能计量芯片及智能电表卡隔离装置，包括计量电路、UART接口电路、控制和寄存器电路以及复位滤波电路；所述UART接口电路连接RX/RST_N端口和TX端口；所述复位滤波电路连接所述RX/RST_N端口，所述复位滤波电路根据所述RX/RST_N端口的输入信号产生复位信号；所述计量电路的输入端连接ADC输入端口，输出端连接电能脉冲输出端口，所述控制和寄存器电路的输入端与所述计量电路的输出端、所述UART接口电路的输出端以及所述复位滤波电路的输出端连接。本实用新型通过将UART数据输入端口和复位端口合并成一个端口，节省电能计量芯片的一个输入引脚，方便减小封装尺寸，并节约了制造成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力领域，特别是涉及一种电能计量芯片及智能电表卡隔离装置。
背景技术
智能电表的电能计量芯片通常以220V市电为参考地，在使用预付费卡表时需要用户进行人工操作即将卡插入电表中进行缴费和查询。因此为了安全起见，要求预付费卡的地不能浮在220V上面，而是以大地为基准地，所以卡和CPU模块与计量芯片之间必须进行隔离。图1是目前主流的智能电表卡隔离装置结构示意图，其中，包括计量系统、隔离系统、CPU模块以及通信模块，所述计量系统包括与变压器101的初级绕组连接的第一整流稳压模块102和与第一整流稳压模块102的输出端连接的计量芯片107，所述第一整流稳压模块102直接从220V上取电供给计量芯片107，使计量芯片107完成电量的计量，并以220V为参考地；所述隔离系统包括将计量芯片107的地与CPU模块114的地使光耦隔离，分别包括将RST_N复位输入信号端口、UART总线端口(其中RX为计量芯片的UART数据输入端口，TX为计量芯片的UART数据输出端口)以及电能脉冲输出信号端口与CPU模块114进行隔离的第一光耦103、第二光耦104、第三光耦105以及第四光耦106；所述CPU模块114通过第三整流稳压模块108与变压器101相连，直接从220V取电，但是以大地作为参考，卡113与CPU模块通过ISO7816协议直接共地连接，可以满足安全性需求；所述通信模块110通过第二整流稳压模块109与变压器相连，用于与上位机进行通信，由于要求4000V耐压隔离，因此通信模块110由一组独立的变压器绕组供电，所述通信模块110需要与CPU模块114使用第五光耦111和第六光耦112进行隔离。
现有智能电表分离器件方案的卡隔离技术使用安全可靠，但是智能电表低成本方案是未来的发展趋势，现有智能电表必须面临降低成本的问题。现有智能电表分离器件方案的卡隔离方法有如下缺点：其中的计量芯片封装引脚较多，目前主流计量芯片封装引脚为24pin，封装成本高；由于计量芯片卡隔离时需要4个光耦，成本较高，并且光耦的功耗很大，不利于能源的节约利用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种电能计量芯片及智能电表卡隔离装置，以解决现有技术中的电能计量芯片引脚过多以及使智能电表卡隔离装置中光耦过多导致成本高的问题。
本实用新型实施例提供一种电能计量芯片，包括计量电路、UART接口电路、控制和寄存器电路以及复位滤波电路；
所述UART接口电路连接RX/RST_N端口和TX端口，所述UART接口电路通过所述RX/RST_N端口接收数据，并通过所述TX端口发送数据；
所述复位滤波电路连接所述RX/RST_N端口，所述复位滤波电路根据所述RX/RST_N端口的输入信号产生复位信号；
所述计量电路的输入端连接ADC输入端口，输出端连接电能脉冲输出端口，所述计量电路根据接收的电压信号和电流信号输出电能脉冲信号；
所述控制和寄存器电路的输入端与所述计量电路的输出端、所述UART接口电路的输出端以及所述复位滤波电路的输出端连接，所述控制和寄存器电路存储数据信息并根据所述复位滤波电路的复位信号进行复位。
所述电能计量芯片还包括时钟控制电路，所述时钟控制电路为所述计量电路、所述UART接口电路、所述控制和寄存器电路以及所述复位滤波电路提供时钟。
所述UART接口电路为9位异步通信接口电路。
所述复位滤波电路在输入信号的低电平信号时间大于预设时间值时产生复位信号。
本实用新型实施例还提供一种包括上述的电能计量芯片的智能电表卡隔离装置，还包括：变压器、第一整流稳压模块、第二整流稳压模块、第三整流稳压模块、第一光耦、第二光耦、第三光耦、CPU模块以及通信模块，所述变压器的初级绕组连接所述第一整流稳压模块的输入端，所述第一整流稳压模块的输出端连接所述电能计量芯片的ADC输入端，所述变压器的次级绕组的第一输出端连接所述第二整流稳压模块的输入端，所述第二整流稳压模块的输出端连接所述通信模块的输入端，所述变压器的次级绕组的第二输出端连接所述第三整流稳压模块的输入端，所述第三整流稳压模块的输出端连接所述CPU模块的输出端，所述通信模块的输入端连接所述CPU模块的输出端，所述CPU模块的输出端连接所述第一光耦的输入端，所述第一光耦的输出端连接所述电能计量芯片的RX/RST_N端口，所述电能计量芯片的TX端口连接所述第二光耦的输入端，所述第二光耦的输出端连接所述CPU模块的输入端，所述电能计量芯片的电能脉冲输出端口连接所述第三光耦的输入端，所述第三光耦的输出端连接所述CPU模块的输入端。
所述智能电表卡隔离装置还包括第四光耦和第五光耦，所述CPU模块的输出端连接所述第四光耦的输入端和所述第五光耦的输入端，所述第四光耦的输出端和所述第五光耦的输出端连接所述通信模块的输入端。
所述第一光耦、所述第二光耦、所述第三光耦、所述第四光耦以及所述第五光耦为低速光耦。
所述电能计量芯片为全定制集成电路或MCU芯片。
本实用新型一种电能计量芯片，通过将UART数据输入端口和复位端口合并成一个端口，节省计量芯片的一个输入引脚，方便减小封装尺寸，并节约了制造成本；并且不影响UART接口电路通信功能，且复位信号输入经过数字滤波，提高芯片可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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他的附图。
图1是现有技术中一种智能电表卡隔离装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种电能计量芯片的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的一种电能计量芯片中的UART接口电路接收的数据字节格式示意图。
图4是本实用新型实施例提供的一种电能计量芯片的工作方法流程图；
图5是本实用新型实施例提供的一种智能电表卡隔离装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本实用新型实施例一种电能计量芯片，请参阅图2，包括计量电路302、UART接口电路304、控制和寄存器电路303以及复位滤波电路305；
UART接口电路304连接RX/RST_N端口和TX端口，UART接口电路304通过RX/RST_N端口接收数据，并通过TX端口发送数据；
复位滤波电路305连接RX/RST_N端口，复位滤波电路305根据RX/RST_N端口的输入信号产生复位信号；
计量电路302的输入端连接ADC输入端口，输出端连接电能脉冲输出端口，计量电路302根据接收的电压信号和电流信号输出电能脉冲信号；
控制和寄存器电路303的输入端与计量电路302的输出端、UART接口电路304的输出端以及复位滤波电路305的输出端连接，控制和寄存器电路303存储数据信息并根据复位滤波电路305的复位信号进行复位。
计量电路302根据接收到的电压信号和电流信号，输出电能脉冲信号。
其中，所述计量电路可以采用可编程器件等硬件设备实现，不计成本的话，还可以采用分立元件的方式实现。
控制和寄存器电路303用于控制计量芯片各模块的工作模式，并提供各种参数寄存器和配置寄存器，以存储信息数据。
其中，所述控制和寄存器电路可以采用单片机、CPLD或者FPGA等硬件设备，不计成本的话，还可以采用分立元件的方式实现，例如，其中的寄存器电路可以采用D触发器实现。
UART接口电路304工作在从模式或者半双工通讯，并符合标准UART协议。
UART接口电路304数据输入端口在未通信情况下为高电平输入，在进行通信时只需保证复位滤波电路305设定的时间预设值大于UART接口电路304接收信号的最低波特率下正常通信时的最大低电平时间，即可保证UART接口电路304正常通信时的不产生复位；当RX/RST_N输入低电平的时间超过复位滤波电路305的时间预设值时，产生复位信号，复位发生时，寄存器恢复到复位初值，外部引脚电平恢复到初始状态。
电能计量芯片还包括时钟控制电路301，时钟控制电路301为计量电路302、UART接口电路304、控制和寄存器电路303以及复位滤波电路305提供时钟。
UART接口电路304为9位异步通信口，其发送和接收一个字节的信息由11位组成，请参阅图3，即起始位(StartBit，0)、数据位(低位在先)、1位校验位(Parity Bit，第9数据位，可以为偶校验或奇校验)和1位停止位(StopBit，1)。
复位滤波电路305设定的预设时间需保证UART接口电路304发送低电平时，不产生复位，而UART接口电路304发送低电平最长时间为发送数据0x00时，低电平时间为10*T。因此，若UART接口电路304发送信号的最低波特率为x bps，则预设时间需满足y>1000*(10/x)(ms)。为保证可靠性，y＝1000*(10/x)+z(ms)，其中z为预留时间，保证UART正常通信时，不会误产生复位信号。
所述复位滤波电路可以通过比较器、D型正反器以及计时电路实现上述功能。
具体的，请参阅图4，UART通信和复位的工作过程是：
步骤401，RX/RST_N端口是否检测到低电平信号，当RX/RST_N端口的信号为为高电平时，计量芯片的UART接口电路和复位滤波电路处于待机状态，当RX/RST_N端口的信号为为低电平时，进入步骤402；
步骤402：当RX/RST_N端口输入的低电平时间小于复位预设时间时，不产生复位，进入步骤404，UART接口电路进行通信；当RX/RST_N端口输入的低电平时间大于复位预设时间时，进入步骤403，产生复位信号，当复位发生时，寄存器恢复到复位初值，外部引脚电平恢复到初始状态。
本实用新型一种电能计量芯片，通过将UART数据输入端口和复位端口合并成一个端口，节省计量芯片的一个输入引脚，方便减小封装尺寸，并节约了制造成本；并且不影响UART接口电路通信功能，且复位信号输入经过数字滤波，提高芯片可靠性。
本实用新型另一实施例还提供一种包括上述电能计量芯片的智能电表卡隔离装置，请参阅图5，还包括：变压器201、第一整流稳压模块202、第二整流稳压模块207、第三整流稳压模块208、第一光耦203、第二光耦204、第三光耦205、CPU模块212以及通信模块209，变压器201的初级绕组连接第一整流稳压模块202的输入端，第一整流稳压模块202的输出端连接电能计量芯片206的ADC输入端，变压器201的次级绕组的第一输出端连接第二整流稳压模块207的输入端，第二整流稳压模块207的输出端连接通信模块209的输入端，变压器201的次级绕组的第二输出端连接第三整流稳压模块208的输入端，第三整流稳压模块208的输出端连接CPU模块212的输出端，通信模块209的输入端连接CPU模块212的输出端，CPU模块212的输出端连接第一光耦203的输入端，第一光耦203的输出端连接电能计量芯片206的RX/RST_N端口，电能计量芯片206的TX端口连接第二光耦204的输入端，第二光耦204的输出端连接CPU模块212的输入端，电能计量芯片206的电能脉冲输出端口连接第三光耦205的输入端，第三光耦205的输出端连接CPU模块212的输入端。
由于电能计量芯片206中将数据输入RX端口和复位引脚RST_N端口合并成一个端口复用，因此，与现有技术相比，可以节省一个光耦。即RX/RST_N两个引脚复用，使用1个光耦与CPU模块212隔离，此外，TX端口和电能脉冲输出端口分别用1个光耦与CPU模块212隔离。
智能电表卡隔离装置还包括第四光耦210和第五光耦211，CPU模块212的输出端连接第四光耦210的输入端和第五光耦211的输入端，第四光耦210的输出端和第五光耦211的输出端连接通信模块209的输入端。
第一光耦203、第二光耦204、第三光耦205、第四光耦210以及第五光耦211为低速光耦。
电能计量芯片206为全定制集成电路或MCU芯片。
本实用新型一种智能电表卡隔离装置与现有技术相比，可以节省一个低速光耦，降低PCB板的布线难度，节约了整表的成本；在正常通信时，将CPU模块的相应输出引脚配置为UART接口电路的功能与计量芯片通信；需要复位时，将CPU相应输出引脚配置为GPIO，输出大于电能计量芯片中复位滤波电路的预设时间的低电平，即完成一次复位，软件操作简单，并且可靠性高，成本低。
对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种电能计量芯片，其特征在于，包括计量电路、UART接口电路、控制和寄存器电路以及复位滤波电路；
所述UART接口电路连接RX/RST_N端口和TX端口，所述UART接口电路通过所述RX/RST_N端口接收数据，并通过所述TX端口发送数据；
所述复位滤波电路连接所述RX/RST_N端口，所述复位滤波电路根据所述RX/RST_N端口的输入信号产生复位信号；
所述计量电路的输入端连接ADC输入端口，输出端连接电能脉冲输出端口，所述计量电路根据接收的电压信号和电流信号输出电能脉冲信号；
所述控制和寄存器电路的输入端与所述计量电路的输出端、所述UART接口电路的输出端以及所述复位滤波电路的输出端连接，所述控制和寄存器电路存储数据信息并根据所述复位滤波电路的复位信号进行复位。
2.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，还包括时钟控制电路，所述时钟控制电路为所述计量电路、所述UART接口电路、所述控制和寄存器电路以及所述复位滤波电路提供时钟。
3.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述UART接口电路为9位异步通信接口电路。
4.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述复位滤波电路在输入信号的低电平信号时间大于预设时间值时产生复位信号。
5.一种包括如权利要求1所述的电能计量芯片的智能电表卡隔离装置，其特征在于，还包括：变压器、第一整流稳压模块、第二整流稳压模块、第三整流稳压模块、第一光耦、第二光耦、第三光耦、CPU模块以及通信模块，所述变压器的初级绕组连接所述第一整流稳压模块的输入端，所述第一整流稳压模块的输出端连接所述电能计量芯片的ADC输入端，所述变压器的次级绕组的第一输出端连接所述第二整流稳压模块的输入端，所述第二整流稳压模块的输出端连接所述通信模块的输入端，所述变压器的次级绕组的第二输出端连接所述第三整流稳压模块的输入端，所述第三整流稳压模块的输出端连接所述CPU模块的输出端，所述通信模块的输入端连接所述CPU模块的输出端，所述CPU模块的输出端连接所述第一光耦的输入端，所述第一光耦的输出端连接所述电能计量芯片的RX/RST_N端口，所述电能计量芯片的TX端口连接所述第二光耦的输入端，所述第二光耦的输出端连接所述CPU模块的输入端，所述电能计量芯片的电能脉冲输出端口连接所述第三光耦的输入端，所述第三光耦的输出端连接所述CPU模块的输入端。
6.如权利要求5所述的智能电表卡隔离装置，其特征在于，还包括第四光耦和第五光耦，所述CPU模块的输出端连接所述第四光耦的输入端和所述第五光耦的输入端，所述第四光耦的输出端和所述第五光耦的输出端连接所述通信模块的输入端。
7.如权利要求6所述的智能电表卡隔离装置，其特征在于，所述第一光耦、所述第二光耦、所述第三光耦、所述第四光耦以及所述第五光耦为低速光耦。
8.如权利要求5所述的智能电表卡隔离装置，其特征在于，所述电能计量芯片为全定制集成电路或MCU芯片。
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2014
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