CN112213555A - 一种基于高速磁隔离通信的电能表解决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速磁隔离通信的电能表解决方法，包括：中央处理器、数据采集模块、通信模块、电能计量模块、存储模块、显示模块、安全传输模块、电源模块。所述数据采集模块、电能计量模块、存储模块、显示模块、安全传输模块、电源模块均分别与中央处理器连接，通信模块与安全传输模块互相连接。与现有技术相比，本发明在电能计量模块和中央处理器的连接方式采取了更加稳定多功能的高速磁隔离通信连接方式。

Description

一种基于高速磁隔离通信的电能表解决方法
技术领域
本发明属于本发明涉及智能电能表领域，尤其是一种基于高速磁隔离通信的电能表解决方法。
背景技术
在电表中，RS485通信模块及计量模块接口部分经常会存在误操作、静电或雷击浪涌之类的冲击，会在接口端产生高电压，若各模块之间地没有安全的隔离，过电压会通过电源和地线在设备中传播，不但会损坏接口芯片，还会牵连到核心芯片MCU。因此，业内通常对各模块单独供电，前后级之间通过各种方式进行隔离，以保障设备和操作人员的安全。
目前，电能表基本都采用光耦进行隔离，基本实现结构如图1所示。在基于光耦的隔离方案中，电源需要提供三路隔离电源，分别给主MCU控制电路、RS485 通信电路、计量电路供电；电源设计需要增加变压器绕组进行隔离为各路隔离模块进行供电，每一路绕组需要提供单独的整流稳压电路。这就导致电源结构复杂，体积大，***电路复杂，PCB布局难度大，成本高。如图1中的隔离方案，至少需要3路隔离的电源，对电源设计要求较高。此种光耦隔离方案还存在有效传输速率不高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速磁隔离通信的电能表解决方法。
本发明的技术方案是在充分考虑电能表应用需求的基础上，使用一种全新的磁耦传输技术，兼顾隔离供电和隔离通信，利用磁耦隔离芯片及磁耦变压器实现主MCU控制电路和从端RS485电路、计量电路的供电及通信；采用变压器单路抽头输出的单路电源供电方案形成新一代的电能表解决方案。克服了光耦的缺陷及多路输出变压器工艺复杂、应用稳定性差的缺陷。
其特征在于：a、电能表主MCU与从端之间通过磁耦隔离芯片及磁耦变压器建立连接，利用磁耦变压器的电气隔离性能，实现主MCU和从端之间的电气隔离。b、整个电能表的供电，由电源电路单路电源输出提供给主MCU；从端电路的供电，由主MCU端通过磁耦隔离芯片及磁耦变压器，采用调制解调和整流滤波技术实现。
所述电能表主MCU，具有UART接口，内部集成磁耦隔离主芯片，用于完成和从端的通信及供电。
所述从端，是指电表的RS485电路和计量电路，其中RS485芯片内部集成磁耦隔离从芯片，计量芯片内部也集成磁耦隔离从芯片。
所述磁耦隔离芯片，分为磁耦隔离主芯片和磁耦隔离从芯片。主芯片采用采用频率调制技术实现数字信号发送，采用幅度解调技术实现数字信号接收；从芯片采用频率解调技术实现数字信号接收，采用幅度调制技术实现数字信号发送。
所述磁耦变压器，通过磁路耦合完成初级线圈及次级线圈的能量转换及信号传输。
所述电气隔离，包括通讯隔离和供电隔离。通讯隔离指通过磁耦变压器传输数字信号，实现主从端双向半双工异步串行通信；供电隔离指从端供电由主端MCU通过磁耦变压器提供。
所述单路电源输出，是指电源模块仅提供一路电源给主MCU模块，RS485模块及计量电路模块不再由电源变压器单独供电，电源模块变压器的次级电压输出由之前的三路简化到只有一路，电源模块变压器次级线圈只有一组，电源模块变压器次级整流滤波电路只有一路。
附图说明
图1：光耦隔离通信方案***框图。
图2：磁耦隔离通信方案***框图。
图3：基于磁耦通信及单路电源输出技术的新一代电能表框图。
具体实施方式
电能表的电源模块通过接入220V交流电，通过AC-DC电源模块的转换，通过变压器初次级绕组，完成交流电到直流供电转换，电源模块次级输出只有一路，变压器次级输出绕组只有一组，进而通过变压器次级输出的整流电路为主MCU控制模块提供稳定的电源。
单路次级绕组输出变压器，相比目前三路输出变压器，变压器结构更简单，制作工艺将更优化，变压器的性能可靠性大幅提升，生产效率及成本更有优势。电源输出只有一路，只需一路整流滤波电路，节约掉其他两路输出的整流滤波电路，电源电路器件更少，布局布线更方便，可有效减小板子面积，节约成本；此外，电路简单，可靠性更高，电源电路产生的辐射及传导干扰大幅降低，电表EMC性能更好。
主MCU控制模块，通过MCU内部集成的磁耦通信主芯片，调制出不同频率的数字信号，通过磁耦变压器的初级线圈、次级线圈及磁耦和通路，完成主MCU控制模块向从模块(如RS485通信模块、计量通信模块)的信号传输及能量传输，从模块芯片RS485芯片和计量芯片，分别通过芯片内部集成的磁耦通信从芯片的解调模块，完成信号的解调接收，通过磁耦通信从芯片内部的整流滤波电路，完成主MCU模块向从模块的供电能量转换，为RS485通信模块、计量通信模块提供稳定的供电。在整个过程中磁耦变压器承担了信号传输、能量传输，并保证了不同电路模块之间的电气物理隔离。隔离供电方式减少了器件的数量，有效的提高整表的可靠性。
通过磁耦变压器隔离供电，省去传统的工频/开关电源变压器单独辅助绕组隔离供电电路。通过磁耦隔离变压器实现双向半双工异步串行通讯，省去传统的光耦隔离电路。
磁耦供电/通讯***由主机和从机构成。主机指MCU模块，从机指MCU的***需电气隔离的模块，例如计量芯片或485通信模块。从机可以衍生有多个。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于高速磁隔离通信的电能表解决方法。其特征在于：a、电能表主MCU与从端之间通过磁隔离芯片及磁耦变压器建立连接，利用磁耦变压器的电器隔离性能，实现主MCU与从端之间的电气隔离。b、整个电能表的供电，有电源电路单路电源输出提供给主MCU；从端电路的供电，由主MCU端通过磁耦变压器，采用调制调节和整流滤波技术实现。
2.如权利要求1所述电能表主MCU，具有UART接口，内部集成磁耦隔离主芯片，用于完成和从端的通信及供电。
3.如权利要求1所述从端，是指电表的计量电路，其中计量芯片内部集成磁耦隔离从芯片。
4.如权利要求1所述磁耦隔离芯片，分为磁耦隔离主芯片和磁耦隔离从芯片。主芯片采用采用频率调制技术实现数字信号发送，采用幅度解调技术实现数字信号接收；从芯片采用频率解调技术实现数字信号接收，采用幅度调制技术实现数字信号发送。
5.如权利要求1所述磁耦变压器，通过磁路耦合完成初级线圈及次级线圈的能量转换及信号传输。
6.如权利要求1所述电气隔离，包括通讯隔离和供电隔离。通讯隔离指通过磁耦变压器传输数字信号，实现主从端双向半双工异步串行通信；供电隔离指从端供电由主端MCU通过磁耦变压器提供。
7.如权利要求1所述单路电源输出，是指电源模块仅提供一路电源给主MCU模块及计量电路模块不再由电源变压器单独供电，电源模块变压器的次级电压输出由之前的三路简化到只有一路，电源模块变压器次级线圈只有一组，电源模块变压器次级整流滤波电路只有一路。
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