CN208060992U - 新型集中器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型集中器，包括电源模块、控制器模块、存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块；电源模块供电；存储模块存储数据；TESAM模块对数据加解密；单相交流采样模块采样电压并上传控制器模块；以太网PHY模块用于通信；控制器模块控制新型集中器工作。本实用新型通过NUC975处理器、两块兼容不同通信协议的TESAM电路以及相应的存储模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块，使得本实用新型适用于各类通信协议，而且存储空间丰富、扩展性好、精度高且成本低廉。

Description

新型集中器

技术领域

本实用新型具体涉及一种新型集中器。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

目前的用电信息采集终端(即集中器)，其采用的均为单片机+SPI FLASH的方案，这种方案的主控芯片大部分采用Cortex-M3平台的单片机，主要包括单片机、1376协议TESAM模块、PT采样模块、电源模块、SPI FLASH模块、以太网PHY模块和有源晶振等模块，其功能模块图如图1所示。

但是，随着电力系统的新型通信协议发布，目前的集中器存在着如下问题：

1)现有集中器的Cortex-M3平台的单片机的存储空间较少，而且能够外扩的SPIFLASH的容量也较小，已经不适用于客户需求的变化；

2)现有集中器为了降低成本，一般采用集中器自身的单片机进行ADC采样，其采样性能较差，且抗干扰能力差；

3)现有集中器均采用单相交流采样功能的方式进行终端的停电、上电事件上报，信息来源单一，可靠性不高；

4)现有集中器的以太网PHY模块采用有源晶振，成本较高且EMC测试容易超标；

5)现有集中器的TESAM模块只支持1376.1-2013通信协议，不适用于最新发布的698.45通信协议。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于最新的通信协议、存储空间丰富、扩展性好、精度高且成本低廉的新型集中器。

本实用新型提供的这种新型集中器，包括电源模块、控制器模块、存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块；存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块均与控制器模块连接；电源模块给所述新型集中器供电；存储模块用于存储所述新型集中器的数据信息；TESAM模块用于对所述新型集中器的数据进行加解密；单相交流采样模块用于对输入的单相交流电源电压进行采样并上传控制器模块；以太网PHY模块用于所述新型集中器的以太网通信；控制器模块用于控制所述新型集中器工作。

所述的新型集中器还包括上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块；上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块均与控制器模块连接；上行远程通信模块通过总线与控制器模块连接并用于所述新型集中器与外部的远程通信；下行RS485通信模块通过总线与控制器模块连接并用于通过RS485总线获取集中器下属的电能表的工作数据信息并上传控制器模块；调试模块与控制器模块连接并用于对所述新型集中器进行调试；时钟模块与控制器模块连接并为控制器模块提供标准时钟信号；显示模块与控制器模块连接并显示所述集中器的工作状态；遥信输入模块与控制器模块连接并用于将所述新型集中器的遥信工作状态通过上行远程通信模块上传给主站。

所述的控制器模块为由型号为NUC975DK51Y的控制器芯片构成的控制器模块。

所述的存储模块为由型号为TC58NVG0S3ETAI0的NAND FLASH存储芯片构成的存储模块。

所述的TESAM模块包括TESAM电源控制电路、TESAM数据控制电路、TESAM-698电路和TESAM-1376电路；所述TESAM-698电路用于支持698.45通信协议并对698.45通信协议的数据进行加解密；所述TESAM-1376电路用于支持1376.1-2013通信协议并对1376通信协议的数据进行加解密；控制器模块的IO接口输出的控制信号通过TESAM电源控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，通过控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的上电与断电，从而控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的工作状态；控制器模块的通信接口通过TESAM数据控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，从而实现控制器模块与TESAM-698电路和TESAM-1376电路之间的数据通信。

所述的单相交流采样模块包括保护电路、电压互感器、电压采样电路和采样控制器；保护电路、电压互感器、电压采样电路和采样控制器依次串接；输入单相交流电源通过保护电路进行保护后，通过电压互感器进行取样，然后取样后的电压信号通过电压采样电路采样后输入到采样控制器进行采样。

所述的以太网PHY模块有由型号为DP83848K的PHY芯片构成的以太网PHY模块。

所述的电源模块包括AC-DC转换电路、DC-DC转换电路、看门狗电路、后备电源电路和停上电监测电路；AC-DC转换电路与DC-DC转换电路串联，AC-DC转换电路将从电网获取的单相交流电能转换为直流电流后，再通过DC-DC转换电路转换为直流信号给所述新型集中器供电；看门狗电路与控制器模块连接，用于在控制器模块工作异常时输出复位信号控制控制器模块重新上电复位；后备电源电路与DC-DC转换电路连接，用于获取DC-DC转换电路输出的电源信号并存储电能，并在电网掉电时为新型集中器提供后备能源；停上电监测电路与AC-DC转换电路连接，用于在所述新型集中器掉电或上电时输出一路检测信号并上传控制器模块。

本实用新型提供的这种新型集中器，通过NUC975处理器、两块兼容不同通信协议的TESAM电路以及相应的存储模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块，使得本实用新型能够适用于最新的通信协议和之前的通信协议，而且存储空间丰富、扩展性好、精度高且成本低廉。

附图说明

图1为现有技术的集中器的功能模块图。

图2为本实用新型的新型集中器的功能模块图。

图3为本实用新型的TESAM模块的功能模块图。

图4为本实用新型的TESAM模块的电路原理示意图。

图5为本实用新型的单相交流采样模块的电路原理示意图。

图6为本实用新型的停上电监测电路的电路原理图示意图。

具体实施方式

如图2所示为本实用新型的新型集中器的功能模块图：本实用新型提供的这种新型集中器，包括电源模块、控制器模块、存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块、以太网PHY模块、上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块；存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块、以太网PHY模块、上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块均与控制器模块连接；电源模块给所述新型集中器供电；存储模块用于存储所述新型集中器的数据信息；TESAM模块用于对所述新型集中器的数据进行加解密；单相交流采样模块用于对对输入的单相交流电源电压进行采样并上传控制器模块；以太网PHY模块用于所述新型集中器的以太网通信；控制器模块用于控制所述新型集中器工作；上行远程通信模块通过总线与控制器模块连接并用于所述新型集中器与外部的远程通信；下行RS485通信模块通过总线与控制器模块连接并用于通过RS485总线获取集中器下属的电能表的工作数据信息并上传控制器模块；调试模块与控制器模块连接并用于对所述新型集中器进行调试；时钟模块与控制器模块连接并为控制器模块提供标准时钟信号；显示模块与控制器模块连接并显示所述集中器的工作状态；遥信输入模块与控制器模块连接并用于将所述新型集中器的遥信工作状态通过上行远程通信模块上传给主站。

以太网PHY模块由型号为DP83848K的PHY芯片构成的以太网PHY模块，且控制器模块为由型号为NUC975DK51Y的控制器芯片构成的控制器模块；DP83848K PHY芯片通过RMII接口与NUC975处理器的RMII0接口连接，而且由于NUC975处理器可以通过修改相关寄存器值以倍频方式产生50MHz时钟，因此可以通过NUC975处理器的4脚PG.14/LRCK管脚产生输出50MHz时钟，通过串联的R41 10Ω电阻与NUC975处理器的108脚PF.5/RMII0_REFCLK连接，同时还通过串联的R131 10Ω电阻与DP83848K以太网PHY芯片的28管脚连接，从而为控制器模块和以太网PHY模块提供晶振信号。因此本实用新型中不再采用有源晶振信号为以太网PHY模块提供时钟信号，因此使得本实用新型的新型集中器的EMC兼容性更好。

如图3所示为本实用新型的TESAM模块的功能模块图：TESAM模块包括TESAM电源控制电路、TESAM数据控制电路、TESAM-698电路和TESAM-1376电路；所述TESAM-698电路用于支持698.45通信协议并对698.45通信协议的数据进行加解密；所述TESAM-1376电路用于支持1376.1-2013通信协议并对1376通信协议的数据进行加解密；控制器模块的IO接口输出的控制信号通过TESAM电源控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，通过控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的上电与断电，从而控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的工作状态；控制器模块的通信接口通过TESAM数据控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，从而实现控制器模块与TESAM-698电路和TESAM-1376电路之间的数据通信。

如图4所示为本实用新型的TESAM模块的电路原理示意图：其中，TESAM数据控制电路主要由型号为74HC244的芯片构成，其作为控制器模块和TESAM-698电路、TESAM-1376电路之间的数据交换缓冲和驱动芯片；TESAM电源控制电路则包括698电源电路开关管V2、698电源电路上拉电阻R10、1376电源电路开关管V3和1376电源电路上拉电阻R11；TESAM-698电路主要采用北京智芯微电子科技有限公司支持698.45通信协议的TESAM终端安全控制模块；ESAM-1376电路则采用南瑞集团通信与用电技术分公司1376通信协议的TESAM终端安全控制模块。

其中，控制器模块输出的电源控制信号(图中标示TESAM_CTL_698和TESAM_CTL_1376)到开关管的控制端，从而控制开关管的导通和关断：当开关管导通时，相应的TESAM电路的芯片模块上电，此时控制器模块和相应的TESAM芯片模块进行数据的交互；比如，当TESAM_CTL_698信号为低电平时，此时开关管V2导通，则TESAM-698电路的芯片模块D4的电源引脚直接与电源信号V3P3连接并上电，从而控制器模块和TESAM-698电路的芯片模块D4之间进行数据交互，而当TESAM_CTL_1376信号为高电平时，此时开关管V3截止，此时TESAM-1376电路的芯片模块D5的电源引脚与电源信号断开，从而该电路不工作。

从图中还可以看到，控制器模块、TESAM数据控制电路、TESAM-698电路和TESAM-1376电路之间的数据交换采用的是SPI总线；其中，芯片D3的2脚、16脚、6脚和8脚连接控制器模块的SPI总线接口，作为SPI总线的主输出从输入接口、主输入从输出接口、控制引脚和时钟引脚，而D3的4脚、18脚、14脚和12脚则直接与TESAM-698电路中的698芯片模块D4的3脚、2脚、4脚和5脚连接，作为698芯片模块的SPI总线的主输入从输出接口、主输出从输入接口、控制引脚和时钟引脚，同时芯片模块D4的7脚直接与该芯片模块的2脚连接，而芯片模块D4的6脚直接与该芯片模块的3脚连接；当控制器模块需要与TESAM-698电路进行数据传输时，控制器模块先控制TESAM_CTL_698信号为低电平，使得TESAM-698电路的芯片模块D4的电源引脚直接与电源信号V3P3连接并上电，然后控制器模块将数据传输至SPI总线，并在芯片D3的作用下与TESAM-698电路中的698芯片模块进行数据交互。

同样的，芯片D3的11脚、7脚、15脚和17脚连接控制器模块的SPI总线接口，作为SPI总线的主输出从输入接口、主输入从输出接口、控制引脚和时钟引脚，而D3的13脚、9脚、5脚和3脚则直接与TESAM-1376电路中的1376芯片模块D5的3脚、2脚、4脚和5脚连接，作为1376芯片模块的SPI总线的主输入从输出接口、主输出从输入接口、控制引脚和时钟引脚，同时芯片模块D5的7脚直接与该芯片模块的2脚连接，而芯片模块D5的6脚直接与该芯片模块的3脚连接；当控制器模块需要与TESAM-1376电路进行数据传输时，控制器模块先控制TESAM_CTL_1376信号为低电平，使得TESAM-1376电路的芯片模块D5的电源引脚直接与电源信号V3P3连接并上电，然后控制器模块将数据传输至SPI总线，并在芯片D3的作用下与TESAM-1376电路中的1376芯片模块进行数据交互。

如图5所示为本实用新型的单相交流采样模块的电路原理示意图：单相交流采样模块包括保护电路(图中采用限流电阻R183～R181，以及R176～R179)、电压互感器(图中标示T2)、电压采样电路(图中采用高精度电阻R180)和采样控制器(图中采用控制器芯片MSP430F253)；保护电路、电压互感器、电压采样电路和采样控制器依次串接；单相输入交流电源通过保护电路进行保护限流后，通过电压互感器进行取样，然后取样后的电压信号通过电压采样电路采样后(采样信号图中标示VAP和VAN)输入到采样控制器的8脚和9脚进行采样；采样控制器芯片的11脚为从控制器模块获取的复位信号(RSR430_A)；采样控制器芯片的14脚和15脚连接标准晶振电路(图中XL1、C139、C140构成)，采样控制器芯片的12脚和17脚连接外接的采样存储器芯片(图中标示D20，型号为AT24C02)的5脚和6脚，而采样控制器芯片的19脚和20脚则连接控制器模块的串口引脚并与控制器模块之间进行数据的交换。

如图6所示为本实用新型的停上电监测电路的电路原理图示意图：停上电监测电路与AC-DC转换电路连接，用于在所述新型集中器掉电或上电时输出一路检测信号并上传控制器模块；其中，停上电监测电路的核心芯片为型号为R3111H421A-T1-F的电压监测芯片；芯片的3脚直接接地；芯片的2脚为电源输入信号引脚同时也为监测电源信号的输入引脚，其通过电阻分压电路(R239和R246)对输入的电源信号(图中标示V15P0，其为AC-DC转换电路的输出信号)进行采样和监控，同时芯片的2脚也通过一个二极管连接V3P3电源信号并取电，同时该引脚还通过一个保护二极管(图中标示V45)接地；芯片的1脚通过一个上拉电阻R244连接电源正极，同时该引脚也为监控信号输出引脚并直接连接控制器模块。电压监测芯片的电压监测阈值为4.2V，当R3111H421A的2脚输入电压高于4.2V，此时其1脚输出为高电平1；当R3111H421A的2脚输入电压低于4.2V，此时其1脚输出为高电平0。

Claims (8)

1.一种新型集中器，其特征在于包括电源模块、控制器模块、存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块；存储模块、TESAM模块、单相交流采样模块和以太网PHY模块均与控制器模块连接；电源模块给所述新型集中器供电；存储模块用于存储所述新型集中器的数据信息；TESAM模块用于对所述新型集中器的数据进行加密；单相交流采样模块用于对输入的单相交流电源电压进行采样并上传控制器模块；以太网PHY模块用于所述新型集中器的以太网通信；控制器模块用于控制所述新型集中器工作。

2.根据权利要求1所述的新型集中器，其特征在于还包括上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块；上行远程通信模块、下行RS485通信模块、调试模块、时钟模块、显示模块和遥信输入模块均与控制器模块连接；上行远程通信模块通过总线与控制器模块连接并用于所述新型集中器与外部的远程通信；下行RS485通信模块通过总线与控制器模块连接并用于通过RS485总线获取集中器下属的电能表的工作数据信息并上传控制器模块；调试模块与控制器模块连接并用于对所述新型集中器进行调试；时钟模块与控制器模块连接并为控制器模块提供标准时钟信号；显示模块与控制器模块连接并显示所述集中器的工作状态；遥信输入模块与控制器模块连接并用于将所述新型集中器的遥信工作状态通过上行远程通信模块上传给主站。

3.根据权利要求1或2所述的新型集中器，其特征在于所述的控制器模块为由型号为NUC975DK51Y的控制器芯片构成的控制器模块。

4.根据权利要求1或2所述的新型集中器，其特征在于所述的存储模块为由型号为TC58NVG0S3ETAI0的NAND FLASH存储芯片构成的存储模块。

5.根据权利要求3所述的新型集中器，其特征在于所述的TESAM模块包括TESAM电源控制电路、TESAM数据控制电路、TESAM-698电路和TESAM-1376电路；所述TESAM-698电路用于支持698.45通信协议并对698.45通信协议的数据进行加密；所述TESAM-1376电路用于支持1376.1-2013通信协议并对1376通信协议的数据进行加密；控制器模块的IO接口输出的控制信号通过TESAM电源控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，通过控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的上电与断电，从而控制TESAM-698电路和TESAM-1376电路的工作状态；控制器模块的通信接口通过TESAM数据控制电路连接TESAM-698电路和TESAM-1376电路，从而实现控制器模块与TESAM-698电路和TESAM-1376电路之间的数据通信。

6.根据权利要求3所述的新型集中器，其特征在于所述的单相交流采样模块包括保护电路、电压互感器、电压采样电路和采样控制器；保护电路、电压互感器、电压采样电路和采样控制器依次串接；交流电能通过保护电路进行保护后，通过电压互感器进行取样，然后取样后的电压信号通过电压采样电路采样后输入到采样控制器进行采样。

7.根据权利要求3所述的新型集中器，其特征在于所述的以太网PHY模块有由型号为DP83848K的PHY芯片构成的以太网PHY模块。

8.根据权利要求3所述的新型集中器，其特征在于所述的电源模块包括AC-DC转换电路、DC-DC转换电路、看门狗电路、后备电源电路和停上电监测电路；AC-DC转换电路与DC-DC转换电路串联，AC-DC转换电路将从电网获取的交流电能转换为直流电流后，再通过DC-DC转换电路转换为直流信号给所述新型集中器供电；看门狗电路与控制器模块连接，用于在控制器模块工作异常时输出复位信号控制控制器模块重新上电复位；后备电源电路与DC-DC转换电路连接，用于获取DC-DC转换电路输出的电源信号并存储电能，并在电网掉电时为新型集中器提供后备能源；停上电监测电路与AC-DC转换电路连接，用于在所述新型集中器掉电或上电时输出一路检测信号并上传控制器模块。