MZ系列單片機(jī)為國(guó)網(wǎng)電表提供完備芯片方案(飛思卡爾)

智能電網(wǎng)作為下一代電網(wǎng)的發(fā)展模式而倍受關(guān)注，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司（“中國(guó)國(guó)網(wǎng)”）也對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行了全新的規(guī)劃。在剛剛結(jié)束的飛思卡爾技術(shù)論壇（FTF）上，除主題演講外，還就智能電網(wǎng)改造的話題進(jìn)行了專家討論會(huì)，探討行業(yè)的最新動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)。飛思卡爾也展示了為中國(guó)國(guó)網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)而特別研發(fā)的、專供中國(guó)國(guó)網(wǎng)應(yīng)用的新一代智能微控制器（MCU）MZ系列。

飛思卡爾MZ系列是智能電表用MCU，有8位和32位兩種，分別基于S08內(nèi)核和ColdFire內(nèi)核。兩者均支持新國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)基本計(jì)量功能增加，費(fèi)控功能復(fù)雜，具備多種抄表通訊模式，以及電子線路布局布線位置相對(duì)固定等特點(diǎn)。

MZ系列最主要的特點(diǎn)是所有芯片都可以實(shí)現(xiàn)64引腳芯片完全兼容，工程師在更改設(shè)計(jì)時(shí)可以無(wú)需修改PCB布線，從而可以直接進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)。此外，該系列產(chǎn)品采用的是同一套開(kāi)發(fā)工具，軟件和模塊移植性強(qiáng)，大大減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。外置LCD驅(qū)動(dòng)，可以讓客戶把LCD驅(qū)動(dòng)和LCD放在一起，減少布線，提高方案抗干擾能力。

飛思卡爾技術(shù)銷(xiāo)售經(jīng)理張明峰介紹說(shuō)，以8位的MZ60為例，其64引腳封裝包括55個(gè)IO端口；2路硬件異步串口；3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，總計(jì)支持多達(dá)10路引腳通道時(shí)間控制，其中任意一路均可以通過(guò)軟件配置成輸入脈沖沿捕捉、定時(shí)比較電平輸出或PWM脈寬調(diào)制；帶總共16路輸入的8位ADC；另外硬件SPI和I2C模塊各一個(gè)；還有一個(gè)8位的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器可以在芯片休眠時(shí)維持定時(shí)計(jì)數(shù)并喚醒MCU。“芯片附帶的豐富接口，很容易滿足設(shè)計(jì)者外設(shè)需求。以下面的設(shè)計(jì)為例，芯片提供的各引腳能夠最大程度的滿足硬件需求，無(wú)需外借端口，在滿足整體設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況下，降低系統(tǒng)成本。”

圖1，MZ系列一站式解決方案硬件框圖

上圖以64K字節(jié)EEPROM為主，附設(shè)2M字節(jié)串行Flash 擴(kuò)充。MCU工作于內(nèi)部時(shí)鐘，無(wú)需片外晶體振蕩，可通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)標(biāo)定來(lái)保證時(shí)鐘精度。2路硬件串口被用來(lái)進(jìn)行485抄表和電力線載波通訊，引腳通道實(shí)現(xiàn)脈沖輸入捕捉檢測(cè)電量脈沖和軟件配合模擬實(shí)現(xiàn)相對(duì)低速的異步串行通訊。ADC模塊則直接用于監(jiān)測(cè)電池電壓和交流供電狀態(tài)檢測(cè)，硬件SPI模塊用于和前端計(jì)量芯片通訊，節(jié)約軟件開(kāi)銷(xiāo)。

人們經(jīng)常聽(tīng)見(jiàn)的分段計(jì)價(jià)以及掉電計(jì)數(shù)等功能則是通過(guò)圖中所示的定時(shí)器以及實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器完成。其中，16位的定時(shí)器及其所附的引腳通道用以產(chǎn)生一個(gè)1ms間隔的系統(tǒng)時(shí)間節(jié)拍，幫助軟件任務(wù)進(jìn)行定時(shí)控制，如定時(shí)抄表，波峰波谷電價(jià)計(jì)費(fèi)等功能。8位的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器則是在交流掉電后幫助芯片在進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時(shí)維持工作，用來(lái)周期性地喚醒MCU，定時(shí)檢測(cè)并記錄開(kāi)蓋、按鍵、電池電壓和交流恢復(fù)等狀態(tài)。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

• 電源設(shè)計(jì)方面，MCU主板和前端計(jì)量板直接共地，交流供電和電池供電通過(guò)簡(jiǎn)單的二極管通路切換，交流供電及電池電壓可以直接送片上ADC進(jìn)行掉電檢測(cè)，可省去一般設(shè)計(jì)用于掉電檢測(cè)和電池檢測(cè)的電壓比較器；
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘方面，外置RTC芯片和MCU通過(guò)I2C總線控制，讀取時(shí)鐘參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自身內(nèi)部時(shí)鐘的頻率校準(zhǔn)；
• 計(jì)量部分，采用外置計(jì)量芯片，MCU通過(guò)SPI總線對(duì)芯片進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取，MCU軟件配合來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件校表，實(shí)現(xiàn)電流和電壓的零偏校準(zhǔn)。
• 數(shù)據(jù)通訊方面，RS485通訊支持最高速率19200bps，而紅外抄表通訊可支持1200/2400bps，載波通訊基于片上硬件SCI模塊可實(shí)現(xiàn)MCU和載波模塊之間的9600bps串行通信。
• 數(shù)據(jù)保護(hù)方面，交流掉電后MCU進(jìn)入電池供電的低功耗休眠模式。通過(guò)內(nèi)部實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)喚醒，整個(gè)系統(tǒng)功耗可低于7uA。

張明峰介紹，除了MCU，飛思卡爾還提供一些智能電表設(shè)計(jì)配套芯片，用來(lái)配合實(shí)現(xiàn)一些關(guān)鍵功能，一站式幫助開(kāi)發(fā)者提供即插即用完整解決方案。