2018.11
基于Cortex-MO 的低功耗单相智能电能表设计多功能电源插座
屋顶融雪装置王栋
(武汉盛帆电子股份有限公司，湖北武汉，430223 )
摘要：根据智能电能表的实际应用需求，本文介绍了一种基于Cortex-MO 的低功耗单相智能电能表设计方案，并重点描述了
方案中软件部分的模块化设计思路。该电能表集众多功能于一体，具有电能计量、信息存储及处理、电网监测、自动控制、信息 交互等功能，可有效满足现代化科学用电和智能管理的要求，对单相智能电能表的设计有一定的参考价值。
关键词：智能电能表；Cortex-MO ；低功耗；单相
The Design of Low Power Single-Phase Intelligent Electric Meter
Based on Cortex-MO
Wang Dong
(Wuhan SanFran Electronics CO ., LTD , Wuhan Hubei , 430223)
Abstract:Ac cor ding to the practical application demand of the intelligent electric meter , this paper
introduces a design scheme of low power single-phase intelligent electric meter based on Cortex -MO , and describes the modular design idea of the software part of the scheme . The meter integrates many functions in one . It has the functions of electric energy metering , information storage and processing , power grid monitoring , automatic control and information interaction . It can effectively meet the requirements of modern scientific electricity use and intelligent management , and has a certain reference value for the design of single-phase intelligent electric meter .Keywords: intelligent electric meter ; Cortex -MO ; low power ; single-phase
〇引言
目前，传统的智能电能表处理器一般以8位或16位MCU 为 主，如瑞萨的RL 78系列、飞思卡尔的MZ 60系列，复旦微的FM 33 系列等等，因为16位内核逻辑门数相对较少，运行或泄漏电流 低，售价也相对低廉并且技术已经比较成熟。
然而国家电网公司对智能电能表的功能要求越来越高，传统 的8位或16位M C U 已经难以胜任日益复杂的计算要求。
既要提高性能又要兼顾功耗，智能电能表迫切需要有一 款高性能、低功耗、小成本的MCU 来作为硬件平台。因此，选用
Cortex -M O 处理器将是一个比较好的处理方案。
1
Cortex-MO 概述
Cortex -M O 为32位、3级流水线RISC 处理器，其核心仍为
冯.诺依曼结构，是指令和数据共享同一总线的架构。CortexMO 的核心架构为ARMv 6M ，其运算能力可以达到0. 9 DMIPS /MHz ，与
图1硬件框图
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设计与研发
其他的16位和8位处理器相比，CortexMO 的运算性能大幅提高， 在同样任务的执行上Cortex -M O 只需较低的运行速度$ Cortex -M O 处理器是目前最小的A R M 处理器。该处理器的
芯片面积非常小，使得开发人员能够以接近8位系统的成本开 销获取32位系统的计算性能。
Cortex -M O 处理器不但可完全通过C 语言进行编程，而且
还附带各种高级调试功能以帮助定位软件中的问题。除M C U 开 发工具包中包括的所有附加资源外，Internet 上还有大量示例 和教程，其中许多来自基于A R M 处理器的M C U 供应商的网站， 强大的资源库为智能电表的软件开发提供了良好的技术支持。
2硬件谢十
电能表的硬件部分主要由处理器、开关电源、计量芯片、
EEPROM 、RTC 、CPU 卡、ESAM 、继电器以及其它一些输入输出器
荧光灯支架件组成，硬件框图如图1所示，开关电源为整个系统提供工作电 压，计量芯片通过电压采样和电流采样监测电力线上的电压电流 并累计电能量，EEPR 0M 用于存储电量、状态及历史记录，RTC 为 系统提供精确时钟，CPU 卡和ESAM 用于电子钱包操作，继电器 负责负载控制，其它输入输出器件用于人机交互，Cortex -M O 处 理器负责统筹各个器件的有序运行。
3软件谢十
该电能表的核心设计在于软件部分，为提高程序兼容性，软 件部分包含两个层级，分别为驱动层和应用层，同时，应用层又分 整体设计和模块设计。当系统的硬件平台发生变化时，只需要按 照相应的改动部分，来对驱动层做简单的改动，当协议标准发生 变化时，只需要对应用层的相关函数做相应的
修改，两个层级耦 合性较小，程序修改风险可控。
整体设计框图如图2所示，程序采用前后台的设计模式，前 台主要包含按键中断、通讯中断、以及时钟节拍。后台主要由两个 大循环组成，分别为"低功耗模式”循环和“正常上电模式”循环。 “低功耗模式”运行在32. 768KHz ,“正常上电模式”运行在16MHz , “低功耗模式”主要完成实时钟任务和显示任务,“正常上电模式” 主要完成显示任务、通信任务、电量任务、费率任务、阶梯任务、
CPU 卡任务以及自检任务。
图2
整体设计框图
模块设计的主要内容在于时钟任务、通信任务、电量任务以 及自检任务，其中，时钟任务流程图如图2所示。系统时钟通常在 _
中通过1S 定时器累加，当累积60次时，读取RT C 中的时钟 并检查RAM 时钟格式正确性，如果RTC 格式错，则取RAM 时间作 为有效值，如果RAM 格式错，则取RTC 时间作为有效值，如果两者 皆正确且差值在5分钟以内，则取RTC 时间作为有效值，如果两 者皆错误，则取EEPR 0M 中的时间作为有效值。系统每隔30分钟 将当前时间备份至EEPR 0M 。采用图3的流程，既降低了 RTC 负荷， 又保
证了时间的可靠性。
通信任务的关键在于对象模型的建立，本电能表采用DL /
码图T 645协议，简称645协议,645协议定义了多达数百个数据标识，
如何快速准确地响应主站对电能表某个数据标识的操作是本模 块解决的首要问题，645协议中的数据标识类似于一个对象，该 对象既可以读取，也可以设置，并且一个对象往往包含多个属性。 早期的设计基本采用Switch /Case 的处理方式，虽然执行效率较 高，然而每一个数据标识均需一个Case 来处理，占用了 MCU 大量 的代码空间。因此，我们采用了类似面向对象的处理方式，每一个 数据标识的模型如图4所示，其中“读取”和“设置”为函数指针, 类似对象方法/‘EEPR 0M 地址”、“RAM 地址”、“数据长度”以及“数 据格式”都为常量，类似对象属性。另外，我们将所有数据标识列 成一个大数组，每当主站需要操作某个数据标识时，程序首先采 用二分法査该数据标识在数组中的索引，然后根据索弓丨号和具 体的命令执行相应的操作。这种处理方式既节约了代码空间，又 提高了程序的可移植性。
图3时钟任务流程图
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电量任务是电能表的基础功能，如何保证电能计量的可靠性 是本任务的核心。目前，单相智能电能表的电量计量一般采用数 脉冲的方式，即通过计算计量芯片输出的脉冲个数来累计用户使 用的电量，为避免频繁擦写存储器，电量数据通常在RAM 累计，上 电模式下每隔2度电写一次EEPROM ，同时，为了防止停电后电池 欠压导致MCU 复位，停电时刻也需要将电量写入EEPROM 。考虑到 电量可靠性，电量数据在EEPROM 需要采用双备份存储方式，一旦 发现原区数据有误，立即将备份区的数据读出并覆盖原区，最大 程度保证电量数据准确无误。详细处理流程如图5所示。
自检任务的目的是故障诊断，当表计外设出现异常情况 时，表计可以快速定位故障点，提高表计现场维护的处理效率。 自检任务每隔1分钟执行一次，程序首先读取RTC ，如果RTC 出 错则置RTC -ERR 标识，接着读取EEPROM ，如果EEPROM 出错则置
EEPROM -ERR 标识并记录出错的EEPROM 地址，然后读取计量芯片，
如果计量芯片错误则置EMU -ERR 标识，最后读取ESAM ，如果ESAM 错则置ESAM -ERR 标识。以上所有错误皆可在LCD 上显示出来，方 便现场维护人员读取，详细处理流程如图6所示。
图5
电量任务流程图
4结束语
本文以模块化的设计思想介绍了一种基于Cortex -M O 的低 功耗单相智能电能表设计方案，并重点描述了时钟模块、通信模 块、电量模块以及自检模块的执行流程，从设计角度来看，该方案 具有良好的扩展性和兼容性，从使用角度来看，该方案具有良好 的维护性和可靠性，可有效满足国家电网公司对单相智能电能表 的技术要求。
图6
自检任务流程图
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(上接第36页）
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火焰检测
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