智能三相表的rs-485通讯电路设计及实现

RS-485 communication circuit design

and implementation of smart three-phase meter

张俊婷1，纪志坚1，程 杰2

ZHANG Jun-ting1, JI Zhi-jian1, CHENG Jie2

（1.青岛大学 自动化学院复杂性科学研究所，青岛 266071；2.青岛高科通信股份有限公司，青岛 266071）摘 要：主要介绍基于钜泉光电公司推出的HT6025为MCU的新型三相智能电表的RS-485通讯设计方

案。主要实现智能三相表与采集器的通讯，实现对电表的远程监控、抄表等；同时能够通过校表台体连接到电脑进行电表内部计量误差、日计时误差的校准，因此RS-485通讯的设计是至关重要的。包括电源模块设计、主控单元的外围电路设计、RS-485通讯模块电路设计，最后是调试测试。

关键词：智能三相电表电源模块；HT6025 RS485NEESA中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2020)03-0040-05

0 引言

随着我国经济的不断发展，以及我国对一带一路的大力推进，鼓励国家电网等国有企业走向世界，因此电表也必须走向世界，与世界接轨，智能电表应运而生。传统的感应式电表，运行时易受外界的干扰，造成计量不准确；抄表率低，需要人工抄表，而且不易发现用户偷电现象，容易造成人力、物力的浪费。而智能电表具备远程监控、远程抄表的功能，抗干扰能力强，运行更稳定，计量更 准确。

本文主要是易以HT6025为MCU的智能三相表的RS-485通讯设计及实现，这是智能三相表实现远程监控和抄表的基础，因此RS-485通讯显得尤为重要。为了保证RS-485能够高效运行，采用了独立电源的设计以及光耦隔离技术，这能够提高RS-485通讯的抗干扰能力以及降低RS-485通讯芯片RS485NEESA的损坏率。

[1]

样可以很好地保证RS-485通讯模块能够独立工作不与其他模块直接进行连接，很好的避免了在三相智能电表发生异常时出现网络电源问题[4,5]；另一个原因是这两路电源是不共地，能够很好地保护RS-485通讯芯片[6,7]。1.2 电源模块设计

电源模块1主要为主控芯片HT6025以及光耦等外围电路供电[8,9]，分别为VCC3.3V和VDD3.3V，如图1

1 电源模块简介及设计

1.1 电源模块简介

智能三相表的电源模块主要有两部分构成，电源模块1和电源模块2[1～3]。这两路电源是相互隔离的，之所以将电源隔离分开设计，是因为这

图1 电源模块1

收稿日期：2018-12-31

作者简介：张俊婷（1992 -），女，山西忻州人，硕士研究生，主要从事复杂网络及多智能体方面的研究工作。【40】 第42卷 第3期 2020-03

所示。采用的三端稳压芯片UP1是合泰（HOLTEK）的HT7540，输入电压12V，经过输入滤波电容CP1、电解电容EP1和CP2，输出滤波电容为CP3和电解电容EP2，输出电压为4V，经过DP3二极管分压，得到3.3V的电压。稳压芯片UP2的作用主要是外部电池BAT1（6.0V）供电[10～12]，当UP1输入电压12V不正常的情况下，能够保证主控芯片正常工作。BAT2（3.6V）为主控单元VRTC供电，在主控芯片VDD3.3V有电的情况下，确保VRTC同时供电，否则会造成Flash无法操作[13]。

电源模块2主要为RS-485的芯片提供所需要的电 源[14]，如图2所示。采用的三端稳压芯片是LM7805，输入电源12V，经过滤波电容CD1和电解电容ED1输入，经滤波电容CD2和电解电容ED2输出，得到5V电压。

图2 电源模块2

2 主控单元设计

2.1 主控芯片HT6025简介

本文采用的是钜泉光电的主控芯片HT6025，HT6025芯片是多功能、高性能、低功耗单相智能电表专用256K的MCU芯片，内部集成了Cortex-M0处理器、时钟管理、电源管理、硬件自动温度补偿RTC、PLL、高频RC、低频RC、LCD驱动等单元，以及NVIC和DEBUG调试功能[15,16]。其中，支持每秒补偿机制的RTC单元，芯片以32.768KHz晶振时钟源作为RTC时钟源，通过芯片内部集成的时钟自动数字补偿单元，在无需其软件参与的情况下，实现RTC的自动补偿。其内部框图如图3所示。

主要性能如下[17]：

1）工作电压范围：2.0V～5.5V；

2）采用ARM Cortex-M0 CPU Core、256K Flash+1K Information Block、32K SRAM；

3）高速度：CPU最高工作频率达到44M；4）两路硬件7816功能；

5）低功耗：Hold模式下最低功耗4.3uA，Sleep模式下最低功耗3.3uA；

6）供电方式：独立的RTC供电引脚，在芯片内除RTC模块之外的所有模块不供电的情况下，RTC模块仍然可以保持独立工作[4,5]。

图3 HT6025内部框图

2.2 主控单元外围电路设计

HT6025的JTAG调试硬件接口是TI标准14Pin接口[2,3]，ICP接口是下载口，其中TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出[5]，需要3.3V外接电源输入。XA1是32768Hz的外部晶振，为HT6026提供时钟信号。LVDIN引脚是外部电压检测引脚，当供电电压低于或高于1.21V时产生中断信号。DA1是一个稳压二极管，主要是钳位保护作用，钳位电压在3.7V左右。复位引脚RESET经电容CA4接地，CLKOUT引脚、RX4引脚和TX4连接RS485通信芯片， HT6025的外围电路设计如图4所示。

3 RS-485通讯模块设计

3.1 通信芯片RS485NEEA简介

本文采用的RS485通信的芯片是深发科技的RS485NEESA，它是一款半双工通信的收发器，其中包含一路驱动器和一路收发器[4,5,7,9]。RS485NEESA集成自适应控制电路，在由RS485通讯芯片构成的通讯系统中，接收器能够自动检测并且匹配驱动器的极性，这使得自适应RS485芯片无需检测P1/P2总线并加以区分（传统的RS485芯片需要区分P1/P2总线并连接）。RS485NEESA使用低频率驱动器，能显著减小EMI和由于不恰当的终端匹配电缆所引起的反射，并实现高达2Mbps的无差错数据传输[12,13]。其芯片引脚图及逻辑图如图5所示。

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图4 HT6025外围电路设计

表1 发送和接收的逻辑真值表

ROREDED112348765VccP2P1GND表1 发送和接收的逻辑真值表

图5 引脚图及逻辑图

其中RO为接收器输出，RE为接收器输出使能，DE为驱动器输出使能，DI为驱动器输入，P1和P2为接收器输入和驱动器输出[15]，发送和接收的逻辑真值表如表1所示。

3.2 RS-485电路原理图设计

该电路的设计主要采用了隔离技术，能够保证智能

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三相表在运行中不会受到通信总线的噪声干扰，抗干扰性得到提高[1～3]。其原理图如图6所示，采用了三个光电耦合器OS1、OS2和OS3进行了隔离。同时为了增强RS485NEESA在遇到雷击、浪涌等自然现象时[8]，依然

图6 RS485NEESA原理图设计

能够正常运行，减少对通讯芯片RS485NEESA产生的损害，所以在电路原理图设计时采用了热敏电阻PTCS1。A、B引脚采用瞬态电压抑制器TVSS1，它是一种二极管形式的高效能保护器件，具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVSS1的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的RS485NEESA芯片免受损坏。

4 软件调试测试

4.1 PCB板设计

本文通过电路原理图分别进行了PCB板设计，主控单元HT6025的外围电路，其部分PCB电路板设计如图7所示，主要是主控单元的外围电路部分（截取）；RS-485芯片RS485NEESA的PCB设计，如图8所示，包括RS-485通讯所需的5V电源电路的PCB设计如图9所示。

4.2 软件调试

本文主要通过软件测试来测试RS-485能否正常通信，通过RS232转RS485转接头将电脑与智能三相表的RS-485通讯端子连接，打开软件，界面设置如图10所示。串口设为COM1（因电脑而异，需查看电脑串口分配），波特率设为9600。

图8 RS485NEESA PCB设计 图9 5V电源电路PCB设计

图10 调试软件界面

图7 主控单元PCB设计（截取）

设置完成后，点击“获取地址”，若不成功，软

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件会有所提示，如图11所示。需要进一步查看软件设置是否有错误，如串口设置是否正确，RS232转RS485转接头是否正确连接，若都无误，则需排查是否硬件设计 问题。

图11 通讯测试失败若读取表地址成功，会显示“命令执行成功”，如图12所示。说明原理图设计无误，RS-485能够正常通讯。

图12 通讯测试成功

5 结语

在本文的整个原理图设计中，电源模块分为两路，RS-485通讯模块与主控单元及外围光耦电路是不同的电源，能够保证RS-485通讯性能更加可靠；在RS-485芯片选型时，选用的是无极性的，这样能够让接收器自动检测并且匹配驱动器的极性，更加方便；采用光耦隔离技术，能够提高智能三相表的抗干扰能力，降低器件损坏率。最后通过测试，证明了该原理图设计能够安全可靠的运行。

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