CN211627647U - 一种模组化电能表扩展模块接口通信电路 - Google Patents

Abstract

本申请为一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，包括计量芯、与计量芯电连接的隔离电路、与隔离电路电连接的通道选择电路，与通道选择电路电连接的管理芯，所述的管理芯和通道选择电路之间设置有扩展模块接口电路,所述的隔离电路包括电容隔离电路和光耦隔离电路，通过电容隔离电路、光耦隔离电路以及通道选择电路的设计，既可以保证数据传输的高效性、低延时性，同时又可以降低成本。

Description

一种模组化电能表扩展模块接口通信电路

技术领域

本发明涉及电能表领域，具体而言，涉及一种模组化电能表扩展模块接口通信电路。

背景技术

目前，新一代智能电能表均采用模组化设计，由于模组化设计使得计量芯与管理芯分别模块化，扩展模块接口也模块化，使得各模块之间的强弱电隔离和选通性成为研究的热点。

新一代模组化智能电能表在设计时，规定计量芯处于强电区，而管理芯和扩展模块处于弱电去，针对隔离方式有以下几种：1、采用电容隔离技术实现计量模块与管理模块电能和信息的交互，现阶段电容隔离技术可实现200Mbps的信息传输率，信号延时在12ns；采用磁隔离技术实现计量模块与管理模块电能和信息的交互，现阶段磁隔离技术可实现150Mbps的信号传输率，信号延时在32ns；3、采用高速光耦技术实现计量模块与管理模块电能和信息的交互，现阶段高速光耦隔离技术可实现50Mbps的信号传输率，信号延时在20ns。

由于新一代模组化智能电能表是在泛在电力物联网时代下产生的，所以它在处理数据方面必须具备实时性、准确性、快速性的要求，这样一来，对元器件的性能就提出了特殊要求，针对强弱电隔离器件的选取就偏重于传输数据速度快、响应时间短的芯片，这种芯片功能优越，但价格不菲，目前计量芯SPI口的资源也是有限性，而扩展模块具有数量多的特点，鉴于此，如何保证数据传输的高效性、低延时性，同时又可以降低成本已经是本领域技术人员所亟需关注的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，既可以保证数据传输的高效性、低延时性，同时又可以降低成本。

为了实现上述目的，本实用新型公开了一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，包括计量芯、与计量芯电连接的隔离电路、与隔离电路电连接的通道选择电路，与通道选择电路电连接的管理芯，所述的管理芯和通道选择电路之间设置有扩展模块接口电路。

可选地，所述的隔离电路包括电容隔离电路和光耦隔离电路，所述的电容隔离电路由电容隔离芯片U2和电容C2组成，所述电容隔离芯片U2包括用于连接供电电压的通道VDD1和通道VDD2,用于接地的通道GND1和通道GND2，用于连接计量芯的通道VIA, 通道VIB,通道VOC，用于连接通道选择电路的通道VOA, 通道VOB, 通道VIC，所述电容C2的一端与电容隔离芯片U2的通道VDD1电连接，另一端与电容隔离芯片U2的通道GND1连接并接地，所述的光耦隔离电路包括光耦器件E1和电阻R1，所述光耦器件E1包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，第一输入端与供电电压连接，第二输入端通过电阻R1与计量芯电连接，第一输出端与通道选择电路电连接，第二输出端接地，所述电容隔离芯片U2的三个通道VIA,VIB,VOC分别与计量芯SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface的缩写，简称SPI）通信线的CLK0、MOSI0、MISO0电连接，所述光耦器件E1的第二输入端通过电阻R1与计量芯SPI通信线的CS0电连接，所述光耦器件E1的第一输出端输出CS1与通道选择电路电连接。

可选地，所述的通道选择电路由两颗通道选择芯片组成，第一通道选择芯片U1和第二通道选择芯片U3，所述的通道选择芯片包括用于连接电源的脚V+，接地脚GND，与隔离电路输出端连接的两个输入脚COM1和COM，四个输出脚NC1、NC2、NO1、NO2，使能脚EN，控制脚IN1，所述的控制脚IN1与管理芯电连接，所述第一通道选择芯片U1的四个输出脚输出CS2、CLK2、MOSI2、MISO2，所述第二通道选择芯片U3的四个输出脚输出CS3、CLK3、MOSI3、MISO3。

可选地，所述的扩展模块接口电路由第一下行通信模块和第二下行通信模块组成，所述第一下行通信模块包括电容C1，电容C1一端与电源连接，另一端接地，所述下行通信模块包括电容C3，电容C3一端与电源连接，另一端接地，第一下行通信模块的第1引脚和第2引脚接电源，第3引脚和第4引脚接地，第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第一通道选择芯片U1的引出端CS2、CLK2、MOSI2、MISO2电连接，所述第二下行通信模块的第1引脚和第2引脚接电源，第3引脚和第4引脚接地，第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第二通道选择芯片U3的引出端CS3、CLK3、MOSI3、MISO3电连接,所述第一下行通信模块的第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚分别与电阻R9、电阻R5、电阻R2电、阻R7电连接，所述第二下行通信模块的第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚分别与电阻R8、电阻R4、电阻R3、电阻R6电连接, 电阻的另一端与管理芯的相应引脚电连接，电阻R7、电阻R9与管理芯之间分别设有第一上拉电阻R12、第二上拉电阻R13，电阻R6、电阻R8与管理芯之间接分别设有第三上拉电阻R10、第四上拉电阻R11。

可选地，所述的电容隔离芯片为荣湃的π131m6芯片。

可选地，所述的光耦器件E1为EL816D光耦。

可选地，所述的通道选择芯片为MP2735芯片。

针对强弱电隔离设计，本实用新型采用电容隔离和光耦隔离结合，将计量芯SPI通信的数据线（MISO0/MOSI0）和时钟线(CLK0)与电容隔离芯片U2的三个通道VOC，VIB, VIA相连，将计量芯SPI通信线的CS0与光耦器件E1相连，既保证了数据传输的高效性、低延时性，同时又相应的降低了成本；针对计量芯SPI资源的有限性，而扩展模块数量多的特点，本实用新型采用通道选择芯片MP2735，该芯片具有低操作电压，低导通电阻，快速切断的特性。

可见，本申请所提供的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，既可以保证数据传输的高效性、低延时性，同时又可以降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路的结构框图；

图2为本申请实施例公开的一种隔离电路和通道选择电路的电路结构图；

图3为本申请实施例公开的一种扩展模块接口电路的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

一种模组化电能表扩展模块接口通信电路的结构框图如图1所示，包括计量芯1、与计量芯1电连接的隔离电路2、与隔离电路2电连接的通道选择电路3，与通道选择电路3电连接的管理芯4，所述的管理芯4和通道选择电路3之间设置有扩展模块接口电路5。

所述的隔离电路2的电路结构图如图2所示，由一对电容隔离电路21和光耦隔离电路22组成，电容隔离电路21由电容隔离芯片U2和电容C2组成，所述电容隔离芯片U2的三个通道VIA,VIB,VOC分别与计量芯SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface的缩写，简称SPI）通信线的CLK0、MOSI0、MISO0电连接，所述电容C2的一端与电容隔离芯片U2的通道VDD1电连接，另一端与电容隔离芯片U2的通道GND1连接并接地，所述电容隔离芯片U2通过通道VOA,VOB,VIC与通道选择电路3电连接，所述的光耦隔离电路22包括光耦器件E1和电阻R1，所述光耦器件E1包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，第一输入端与外部电源连接，第二输入端通过电阻R1与计量芯SPI通信线的CS0电连接，第一输出端通过CS1与通道选择电路3电连接，第二输出端接地。

可以看出，电容隔离芯片U2的左端通过通道VIA,VIB,VOC与计量芯1相连，右端通过通道VOA,VOB,VIC与通道选择电路3电相连，在实际电路中，有多个电容隔离芯片和光耦器件，它们作用在计量芯1与管理芯4之间充当数据交互、强弱电隔离的桥梁。

如图2所示，电容隔离芯片U2，选用荣湃的π131m6芯片，该芯片特性优越，如：1）具有超低功耗，当传输熟虑为1Mbps时，通信通道电流值为0.65mA/通道；2）低传播延迟，当5V运行时通常为8ns，3.3V操作时典型值为9ns；3）高的隔离电压，π131m6芯片:AC 6000Vrms。

如图2所示，可以看出电容隔离芯片U2具有电压隔离、地隔离的特性，且左右两边供电电压可选，本实施例左边接5V电压，右边接3V电压，具有三路信号隔离传输通路，所以针对SPI通信，需要搭配一颗光耦器件E1完成SPI通信线路的连接，所述光耦器件E1选用EL816D光耦。采用一颗π131m6芯片和一颗EL816D光耦，而不是采用两颗π131m6芯片的目的是为了满足性能的同时降低成本。电容隔离芯片U2的三个通道VIA,VIB,VOC分别与SPI通信线的CLK0、MOSI0、MISO0相连以确保数据传输速率和低延时，而针对片选控制线，选用光耦器件E1完成高低电平的可控。

所述的通道选择电路3的电路结构图如图2所示，所述的通道选择电路3由两颗通道选择芯片组成，第一通道选择芯片U1和第二通道选择芯片U3，所述的通道选择芯片U1包括用于连接电源的脚V+，本实施例中连接的是3V的电压，接地脚GND，与隔离电路输出端连接的两个输入脚COM1和COM，四个输出脚NC1、NC2、NO1、NO2，使能脚EN，控制脚IN1，所述的控制脚IN1与管理芯电连接，所述第一通道选择芯片U1的四个输出引脚引出端为CS2、CLK2、MOSI2、MISO2，所述第二通道选择芯片U3的四个输出引脚引出端为CS3、CLK3、MOSI3、MISO3。

如图2所示，所述的通道选择芯片选用MP2735芯片，该芯片为双单刀双置开关芯片，具有的特性如下：1）低的操作电压（1.65V~5.5V）；2）低导通电阻（当供电电压为2.7V时，导通电阻为0.45Ω）；3）快速切断（当供电电压为2.7V时，TON=29ns,TOFF=23ns）。

通道选择芯片上电后，当使能脚EN=0，控制脚IN1=0时，输出脚NC1和输出脚NC2导通，即输入脚COM1与输出脚NC1形成通路，输入脚COM2与输出脚NC2形成通路；当使能脚EN=0，控制脚IN1=1时，输出脚NO1和输出脚NO2导通，即输入脚COM1与输出脚NO1形成通路，输入脚COM2与输出脚NO2形成通路。第一通道选择芯片 U1和第二通道选择芯片U3的3脚（输入脚COM1）和9脚（输入脚COM2）分别与隔离电路1输出的CS1、CLK1、MOSI1、MISO1相连。第一通道选择芯片 U1和第二通道选择芯片U3的4脚（控制脚IN1）短接同时连接到管理芯，网络标号用S表示，通过管理芯4来控制第一通道选择芯片 U1和第二通道选择芯片U3的通道切换。

所述的扩展模块接口电路5的电路结构图如图3所示，由两个扩展模块组成，第一下行通信模块51和第二下行通信模块52，以备负荷感知功能等模块的需求而设计，扩展模块接口电路5的通信线路分为两部分，一部分通过通道选择电路3和隔离电路2与计量芯1相连交互数据，一部分通过串联电阻与管理芯4相连交互数据。

如图3所示，第一下行通信模块51包括电容C1，电容C1一端与电源连接，另一端接地，第二下行通信模块52包括电容C3，电容C3一端与电源连接，另一端接地，电容C1和电容C3用于滤波。第一下行通信模块51的第1引脚和第2引脚接电源，本实施例中接5V电源，第3引脚和第4引脚接地，第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第一通道选择芯片U1的引出端CS2、CLK2、MOSI2、MISO2电连接，所述第二下行通信模块52的第1引脚和第2引脚接电源，本实施例中接5V电源，第3引脚和第4引脚接地，第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第二通道选择芯片U3的引出端CS3、CLK3、MOSI3、MISO3电连接, 通过管理芯4来控制通道选择芯片MP2735的IN1端（网络标号为S）来选通不通的模块。当S=0时，第一下行通信模块51与计量芯1建立通路；当S=0时，第二下行通信模块52与计量芯1建立通路。

如图3所示，所述第一下行通信模块51的第5引脚（RXD1）、第6引脚（TXD1）、第7引脚（RST1）、第8引脚（COM1）分别与电阻R9、电阻R5、电阻R2、电阻R7电连接，所述第二下行通信模块52的第5引脚（RXD2）、第6引脚（TXD2）、第7引脚（RST2）、第8引脚（COM2）分别与电阻R8、电阻R4、电阻R3、电阻R6电连接, 电阻（电阻R9、电阻R5、电阻R2、电阻R7、电阻R8、电阻R4、电阻R3、电阻R6）的另一端与管理芯4相应引脚相连，电阻R7、电阻R9与管理芯4之间接设有第一上拉电阻R12、第二上拉电阻R13,用以保证电平的稳定，电阻R6、电阻R8与管理芯4之间接设有第三上拉电阻R10、第四上拉电阻R11, 用以保证电平的稳定。

通过以上电路设计可以实现强弱电隔离、高通信速率、低延时、低成本的要求，对将要到来的泛在电力物联网建设提供技术支撑。

以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于，包括计量芯、与计量芯电连接的隔离电路、与隔离电路电连接的通道选择电路，与通道选择电路电连接的管理芯，所述的管理芯和通道选择电路之间设置有扩展模块接口电路。

2.根据权利要求1所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的隔离电路包括电容隔离电路和光耦隔离电路，所述的电容隔离电路由电容隔离芯片U2和电容C2组成，所述电容隔离芯片U2包括用于连接供电电压的通道VDD1和VDD2，用于接地的通道GND1和GND2，用于连接计量芯的通道VIA,VIB,VOC，用于连接通道选择电路的通道VOA,VOB,VIC，所述电容C2的一端与电容隔离芯片U2的通道VDD1电连接，另一端与电容隔离芯片U2的通道GND1连接并接地，所述的光耦隔离电路包括光耦器件E1和电阻R1，所述光耦器件E1包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端，第一输入端与供电电压连接，第二输入端通过电阻R1与计量芯电连接，第一输出端与通道选择电路电连接，第二输出端接地。

3.根据权利要求1所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的通道选择电路由两颗通道选择芯片组成，第一通道选择芯片U1和第二通道选择芯片U3，所述的通道选择芯片包括用于连接电源的脚V+，接地脚GND，与隔离电路输出端连接的两个输入脚COM1和COM，四个输出脚NC1、NC2、NO1、NO2，使能脚EN，控制脚IN1，所述的控制脚IN1与管理芯电连接。

4.根据权利要求1所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的扩展模块接口电路由第一下行通信模块和第二下行通信模块组成，所述第一下行通信模块的第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第一通道选择芯片U1的输出脚电连接，所述第二下行通信模块的第12引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚分别与第二通道选择芯片U3的输出脚电连接，所述第一下行通信模块的第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚分别与电阻R9、电阻R5、电阻R2电、阻R7电连接，所述第二下行通信模块的第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚分别与电阻R8、电阻R4、电阻R3、电阻R6电连接, 电阻的另一端与管理芯的相应引脚电连接，电阻R7、电阻R9与管理芯之间分别设有第一上拉电阻R12、第二上拉电阻R13，电阻R6、电阻R8与管理芯之间接分别设有第三上拉电阻R10、第四上拉电阻R11。

5.根据权利要求2所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的电容隔离芯片为荣湃的π131m6芯片。

6.根据权利要求2所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的光耦器件E1为EL816D光耦。

7.根据权利要求3所述的一种模组化电能表扩展模块接口通信电路，其特征在于：所述的通道选择芯片为MP2735芯片。

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