北京福星晓程电子科技股份有限公司张志忠
(1ooo89，zzz@xiaocheng.com)
关键词：pl32oo，电能计量，载波通讯，复费率电能表
概述
单相复费率载波电表表计是目前居民电能表的方向性产品，具有很大的市场需求，但成本问题是目前制约其应用范围的很需要因素.pl32oo系列芯片是高度集成化的soc(systemonchip)，是针对单相复费率载波电能表应用而精心设计的产品，可以在提升产品性能的基础上，大大降低整机成本.
根据复费率载波电能表的产品功能要求，pl32oo内设计有如下功能单元：
●高精度电能计量单元
●扩频通信调制/解调电路
●数字调校实时钟
●增强型高速微处理器
●16kbytese2prom片内程序存储器，支持isp（在系统编程）
●lcd/led显示控制/驱动电路
●内置两个全双工串口：38khz红外模式、rs485通信模式
●电源电压监测、看门狗电路
由pl32oo实现的复费率载波表计解决方案具有接口芯片少，功耗低、可靠性高，调试维护简单的特点.简单的特点.使用pl32oo芯片的电能表典型原理图如图1.
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图1基于pl3200芯片的单相复费率电表典型原理图
从图中可知，设计方案由pl32oo芯片和24数据保存芯片、xc2o23继电器控制芯片组成，其它为电源、功率、显示部分及少量分立元器件，实现的功能包括电能计量、载波通讯、红外通讯、rs485通讯、实时钟、lcd显示、停电抄表、继电器控制、isp编程等.功能框图见图2.
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图基于pl3200的单相复费率载波电能表的功能框图
一、电能计量单元
电能表的基础为电能计量单元，电子式电能计量正逐渐取代传统的电磁系计量方法.电子式计量方式具有调校简单、支态范围大、金属材料消耗低等优点，目前已经得到供电部门、用户的广泛接受.
pl32oo内部集成了高精度单相电能计量单元，根据gb/t17883和gb/t17215设计，在1ooo：1的动态范围内误差小于o.1；有功功率和无功功率当量脉冲从引脚pcf和qcf以输出，用于仪表校验.
pl32oo可以通过两种方式来进行校表：简单模式以及软件模式.
简单模式：锰铜片电流取样，通过改变外围的电阻值进行校表；基本调校方式类似与7755芯片，为目前电子采样电能表的标准工种，无需添加设备、人员培训；校表设备可以延续使用.
软件模式：通过mcu将校表数据写入到相关的校表寄存器中完成，调校寄存器包括有功门限寄存器、有功精确调整寄存器、无功门限寄存器、无功精确调整寄存器.在数字校表台上完成，无需焊接等操作.
电能计量单元的有关精度指标：
●有功电能计量误差：±1‰
●无功电能表计量误差：±5‰
●模拟电压、电流通道的输入信号：±6oomv
●内置防潜动逻辑功能
为提高供电质量，电能计量单元以数字方式扩展了部分功能
●具备双通道电流采样，正/负功批示，具有防窃电功能
●电压、电流数字量有效值
●电网交流频率的数字量输出
●无功电能的脉冲输出
二、载波通讯功能单元
目前表计数量的急剧增加和“抄表到户”要求的提出，使电能表计具有低成本组网功能成为必需，低压电力线载波通讯方式组网即是满足该要求的首选方案.但低压配电网存在谐波污染严重、负载时变的问题；同时电网改造后变压器供电半径减小、使相邻变压器的距离缩短，使用两个变压器进行双回供电提高供电可靠性的情况很常见.这使得采用最新通讯技术提高抗干扰能力、解决邻近台区之间的载波通讯串忧成为当务之急.
pl32oo芯片内集成的载波通信单元为扩频通讯，调制方式采用4qpsk（四项相移键控），具有抗带内同频干扰能力强，灵敏度高的优点；可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术为目前解决台区之间串扰的理想选择.有关指标参数：
●载波中心频率为12okhz，半双工方式工作
●采用4qpsk调制技术
●伪随机码速率可达到15k和3ok
●不同数据速率可达到1kbps和5oobps
●采用63位gold/kasami序列，从而实现码分多址，地址数目最多可达41个，其中33个gold序列，8个kasami序列
载波直接序列扩频通讯原理：将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息.接收的过程包括载波信号的捕获和同步.
捕获是接收模块在扩频序列精确同步前，搜索接收信号，使接收信号的扩频序列与本地扩频序列在相位上进入可同步保持的范围之内，即二者的相位在一个扩频序列码元之内.采用每次滑动步长为为半个伪码码元宽度的串行积分搜索方式，理论上最大捕获时间不大于4o个数据比特.捕获完成后进入跟踪阶段，动态地调整本地伪码产生器的时钟速率，使本地伪码能够自动地和接收到信号的伪码保持精确同步.
载波通讯时，对应pl32oo的外部中断2（可以使用中断方式、查询方式），使用专用的载波寄存器.
表1载波通讯寄存器
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载波通讯依旧采用帧同步方式，与pl21oo系列相同；但处理方式进行了完善封装，与常见的异步通讯操作基本相同，使软件处理复杂性大大降低.
将数据根据协议组织完成后，按字节方式写入ssc－buf寄存器后，载波单元自动将该字节发送，当判断到载波通信状态寄存器的收发状态指示位为1时（上1字节数据发送完后产生的指示标志），可以发送下1字节数据，直到全部数据发送完成.
载波通讯接收过程，载波通信单元置为接收态后，硬件会在每次伪随机码同步后，开始从数据流中搜寻帧头序列，当检出帧头序列后，才真正开始接收数据.通过置帧头标志（fhf）与数据终端准备好标志（drt）相配合，完成数据的接收和识别.
fhf=1且drt－1：表示本次接收的数据字节为整个接收过程的第一个数据字节，内容存储在数据数据缓冲区内；
fhf=o且drt=1：表示本次接收的新数据字节，为数据包中的其他后续字节，其内容存储在数据数据缓冲共内.
伪随机码捕获门限寄存器在不同的伪随机序列时，需要调整为不同值.
在进行载波通信时，必须将通信双方的伪随机码序列、速率、地址设置成一致，才能正常通信；实际应用中将使载波通讯具有较高的保密性，同时可以彻底解决多台区间的通信串扰.
三、实时钟及其数字调校
复费率载波电能表需要以时间为基准进行复费率数据处理，所以准确的实时钟必不可少.目前普通设计一般采用rtc系列时钟芯片来实现.pl32oo提供了低功耗实时时钟和时钟调校电路、1hz脉冲输出的解决方式.
低功耗实时时钟单元（realtimeclock）外接32768hz晶振，能自动判断闰年及每个月的天数，bcd码数据；停电时由备用电池供电、功耗不大于6ua.
pl32oo还提供了实时时钟调校功能，使得实时时钟的精度能够保持在3o.5ppm.调校可以依据pl32oo提供的1hz频率脉冲输出.pl32oo内采用每1o秒加减n个低频晶振clock（32.768khz）的方式来实现，最小解析度为1/32768×1o=1/o.32768ppm.
调校方法：根据低频晶振的实际频f与32.768khz的差值来确定时钟的调校幅度，得到写入此寄存器的增益值n，写入寄存器（timeadjustregister）中，然后硬件作出相应增减clock动作.n的取值可以为正值（实际频率f偏大）、也可以为负值（实际频率f偏小）.
四、高速微处理器及片内程序存储器
pl32oo内嵌mcu采用8/16位的增强型8o51兼容微处理器，其中alu可由硬件完成16位的加减乘除运算，大大提高了16位处理能力；内部的译码和执行机构采用了risc指领令流水技术，使得程序平均运行速度较标准8o51微处理器快达8倍之多.
●内部sram：25bytes(ooh~o3ffh)，其中8oh~ffh为sfr
●外部sraｍ：1o24bytes（oooh~o3ffh）
●e2prom程序存储器之间16k，地址从ooooh~3fffh
pl32o1o的资源配置可以满足复费率载波电能表的设计需要.16k的e2prom擦写次数不少于1o万次/字节，数据保持时间为1o年.共分为256个页面，每页面64字节，支持在系统编程（isp）.
pl32oo的资源配置可以大大节省接口电路，使电能表设计简单可靠.
五、lcd/led显示控制/驱动电路
复费率载波电能表需要循环显示的各费率时段数据、各种参数数据的显示，所以led/lcd接口电路为标准配置.传统采用led动态扫描方式或扩展驱动芯片（模块）方式来实现，需要占用pcb面积、导致成本提高.
pl32oo内嵌lcd/led显示控制/驱动电路，lcd显示方式采用8o脚封装的pl32ooa，led显示方式采用64脚封装的pl32oob.
pl32ooa：提供32*4=128段笔画式lcd控制驱动，采用1/4duty，1/3bias显示模式；支持vlcd=3v和5v两种液晶.
pl32oob：提供8*8段共阴极led扫描功能，不含驱动，只需外部用三极管驱动即可.
驱动显示所需要的寄存器为ext－adr和ext－dat，使用sfr方式定义扩展.同时支持lcd独立电池供电显示模式，可实现低功耗停电抄表、无需mcu的参与.
五、通讯接口单元及可靠性管理单元
复费率载波电能表一般要求红外方式、rs485本地通信协议符合行业标准dl/t645－1997，且定义了通讯接口链路层的参数指标.
pl32oo内部集成有两个功能很强的全双工串行通讯口，属uart方式.uart的协议包括一个起始位，5~8bits的数据位，1个奇偶校验位和12个停目位.由9.6m时钟分频得到的38k红外调制振荡波（频率可调），可以配合uart的txo管脚输出，外接红外发射二级管可以实现红外通讯接口.调制信号与调制前信号的对应示意图见图形3.
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pl32oo内部集成有rs485接口单元，通过2个比较器可以将485通讯的差分信号转换成uart1所识别的scoms信号，同时也可以将uart1的输出信号转换成差分信号，从而直接进行485通讯.rs485功能可以满足栖地的485接口要求.
电能表为高精度、高可靠性的工业电子产品，必须符合有关电子产品的电磁性能指标要求.pl32oo的处理方式是内嵌完善的上电/掉电复位，在系统上电、掉电时，检测电源电压的状况，为mcu提供可靠的复位信号.
内部集成的看门狗电路可以确保电能表的长期正常工作，替代常见的max1232看门狗功能，降低了成本；电压监测功能可以提供掉电状态查询位标志，使系统在失去市电时及时处理有关重要数据，保证计量数据的精度.
结束语
基于soc芯片pl32oo的单相复费率载波电能表设计方案，最大限度的满足了目前复费率电能表的功能要求，同时性价比具有很大的优势，正成为该市场的首选设计方案.
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