一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置的制作方法

本实用新型属于电能计量技术领域，尤其涉及一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置。

背景技术：
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现有运行电能表将计量和其它功能一体化设计，其它功能部分的改变很容易影响到计量功能，其损坏或失效也容易导致计量部分的损坏或失效，即可能会出现其它功能部分故障导致计量功能故障的现象；其次若电力市场政策、营销及客户需求发生变化，无法实现远程在线升级，大量电能表面临批量更换或返厂，然而实际上更换或返厂后的电能表，其法制计量功能并未发生实质性变化，只是增加或改变了某些具体的功能性需求；另外按目前电能表设计，单一芯片容量剩余空间不大，新增功能会导致程序溢出，从而导致整表更换，产品复用率差，频繁更换会造成资源大量浪费。

技术实现要素：
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本实用新型要解决的技术问题：提供一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置，以解决现有技术的电能表采用一体化设计存在的功能部分的改变、故障或失效很容易导致计量部分的改变、故障或失效，电力市场政策、营销及客户需求发生变化时无法实现远程在线升级，可能会频繁进行批量更换或返厂造成资源大量浪费等技术问题。

本实用新型技术方案：

一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置它包括计量芯和管理芯，计量芯与管理芯通过SPI接口进行数据交互。

管理芯作为主SPI，计量芯作为从SPI，SPI接口包括：CS信号线：当发生下降沿跳变时表示数据通信开始，当发生上升沿跳变时表示数据通信结束；SCLK信号线：管理芯提供的SPI通信时钟信号线；DIN信号线：用于计量芯接收管理芯通信数据线；DOUT信号线：用于计量芯传送数据给管理芯通信数据线。

所述计量芯包括计量MCU，电压电流采用单元与计量芯片连接，计量芯片通过光耦隔离与计量MCU连接；flash模块、EEPROM模块、RS485接口和脉冲输出接口分别与计量MCU连接。

管理芯作为功能模块它包括：管理MCU，管理MCU分别与上行通讯模块、下行通讯模块、RS485接口、远红外通讯接口、显示电路、按键电路、存储电路、开盖检测电路、负荷开关控制电路、报警输出电路和ESAM电路连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可用于实现电能表计量部分与功能部分硬件的彻底分离、独立运行，实现不影响法制计量功能前提下进行电能表应用功能、通讯模块、结构的灵活配置及在线升级，不需要整表更坏只需更换模块；解决了现有电能表其它功能部分的改变、故障或失效很容易导致计量部分的改变、故障或失效，电力市场政策、营销及客户需求发生变化时无法实现远程在线升级，频繁进行批量更换或返厂造成资源大量浪费等技术问题，提出了一种可满足智能电网发展和电力体制改革对电能表功能扩展和变化要求的技术解决方案，为电能表功能需求的变更或升级节省资源及成本；保证法制计量的独立性、可靠性，减少电能表法制计量故障，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为本实用新型系统示意图；

图2为本实用新型计量芯组成结构示意图；

图3为本实用新型管理芯组成结构示意图；

图4为本实用新型硬件平台化、模块化结构示意图；

图5为本实用新型管理芯和计量芯通信接口示意图。

具体实施方式：

一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置它包括计量芯和管理芯，计量芯与管理芯通过SPI接口进行数据交互。

管理芯作为主SPI，计量芯作为从SPI，SPI接口包括：CS信号线：当发生下降沿跳变时表示数据通信开始，当发生上升沿跳变时表示数据通信结束；SCLK信号线：管理芯提供的SPI通信时钟信号线；DIN信号线：用于计量芯接收管理芯通信数据线；DOUT信号线：用于计量芯传送数据给管理芯通信数据线。

所述计量芯包括计量MCU，电压电流采用单元与计量芯片连接，计量芯片通过光耦隔离与计量MCU连接；flash模块、EEPROM模块、RS485接口和脉冲输出接口分别与计量MCU连接。

管理芯作为功能模块它包括：管理MCU，管理MCU分别与上行通讯模块、下行通讯模块、RS485接口、远红外通讯接口、显示电路、按键电路、存储电路、开盖检测电路、负荷开关控制电路、报警输出电路和ESAM电路连接。

下面结合附图对本实用新型技术方案进一步说明：

附图中：附图标记：1、FLASH1，2、EEPROM1，3、计量芯RS485，4、多功能口输出（时钟、电能脉冲），5、超级电容，6、RTC，7、时钟电池，8、计量芯片，9、电压采样、电流采样，10、光耦隔离；

图3为本实用新型非法制计量芯部分示意图，图中标号：11、FLASH2，12、EASM，13、EEPROM2，14、管理芯RS485，15、远红外，16、背光、指示灯，17、时钟电池，18、RTC，19、显示、按键，20、负控，21、上行模块，22、下行模块；

一种电能表法制计量和非法制功能硬件分离装置，电能表由基表和功能模块结构组成，所采用的“双芯”策略（见图1）包括计量芯（法制计量部分，即基表部分）和管理芯（非法制计量部分，即功能模块结构部分）。

所采用的“双芯”的策略实现了计量芯和管理芯物理上的彻底分离、独立运行，以保证法制计量安全、可靠，双芯之间通过SPI接口进行数据交换，管理芯的故障不影响计量芯的正常运行。

“双芯”内部预留通信接口，可方便插装和测试，实现计量芯部分、管理芯部分分离的测试，管理芯作为主SPI，计量芯作为从SPI（见图5），CS：管理芯给计量芯选信号线，当发生下降沿跳变时表示数据通信开始，当发生上升沿跳变时表示数据通信结束；SCLK：管理新提供的SPI通信时钟信号线；DIN：计量芯接收管理芯通信数据线；DOUT：计量芯传送数据给管理芯通信数据线。

所述计量芯（见图2）主要承担电能计量任务，同时具备数据存储、脉冲指示、全失压、电源异常事件检测等功能，具备独立RS485通信接口，用于法制数据的溯源。

计量芯由计量功能及相关组件组成，具体包括：电压采样、电流采样、计量MCU、计量芯片、存储单元、RS485及红外通信、脉冲输出、RTC、显示等，计量芯独立运行，法制认证，出厂后不允许改变和进行软件升级。

计量MCU部分，即基表部分，提供电量、时钟等法制数据，包括时钟源，并输出电能脉冲及时钟脉冲信号，电量按等间隔时间保存历史数据用于电量追溯。

计量芯片采用光耦合隔离与计量MCU进行计量数据传输。

脉冲输出接口包括电能脉冲输出、秒脉冲输出及时段投切三种功能（三相还包括需量周期）共用一个接口，可通过软件设置进行切换，提高了结构件利用率。

时钟电池可更换，支持计量芯RTC持续正确工作10年以上，时钟电池有故障时，有备用措施（如超级电容）支持RTC在-40℃-70℃正常工作2日以上。

计量芯具备一路独立RS485接口，用于法制数据溯源。

可输出与所计量电能量成正比的光脉冲和电脉冲；光脉冲采用高亮、长寿命LED器件，电脉冲输出有电气隔离，并能从正面采集。

所述管理芯（见图3）作为功能模块，主要承担整表的管理任务，包括费控显示、对外通信、事件记录、数据冻结、负荷控制等任务。电力市场政策、营销需求变化和用电市场放开导致供电公司和客户出现多样化需求，可通过远程升级程序的方式进行管理芯功能升级。管理芯涉及收费的功能，可通过计量芯基础冻结电能进行校核。

管理芯由其它功能模块结构组成，实现其他非法制应用性功能，具体包括：管理MCU、上行通讯模块（PLC、微功率无线等）、下行通讯模块（M-Bus、ZIGBEE、LORA等）、显示电路、按键电路、存储电路、远红外通讯、RS485通讯、开盖检测电路、负荷开关控制电路、报警输出电路、ESAM电路等，出厂后允许改变和进行软件升级。

管理芯部分的电量、时钟以计量芯为基准，并实时同步。

任何一个通信模块故障，不对其它模块的正常工作产生影响。

可输出电脉冲或电平开关信息，控制负荷开关。外部易接触的导电部分（卡口等），应做好强电隔离以保证人身安全。

停电状态下能通过按键方式唤醒电能表抄读数据。

显示电路有背光、LED、液晶显示电路，具有液晶显示功能，其中液晶采用6COM设计。

管理芯具备一路独立RS485接口，通讯波特率为2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps，通过普通光耦合三极管电路设计，使信号传输低于2µs的延时，在节省成本的同时保证高速通讯的成功率，保证将来远程升级的高速传输稳定性。

通信方式上，除了具备RS485和远红外基本的通信方式外，上行通讯模块支持PLC、微功率无线等、下行通讯模块支持WIFI、M-Bus、ZIGBEE、LORA等多种通信方式，用于管理芯软件快速在线升级和法制数据快速导出。

ESAM电路采用SPI口高速通信。

负荷开关控制电路有开关内置和开关外置电路，可根据要求灵活配置。

存储电路有EEPROM和FLASH两部分电路。

硬件架构（见图4）包括平台层即基础电路层和各功能模块组件层（扩展层）。

平台层由管理MCU和计量MCU组成，各自之间相互独立，通过SPI接口电路进行数据传输，各自组件层硬件上也相互独立。

管理芯通过接口电路连接组件层，具体包括存储、通讯模块接口、卡接口、蜂鸣器控制、继电器控制、显示类、电源检测、通讯、加密电路、机械开关类、电源模块等组件。

计量芯，即基表部分，通过其接口电路连接该组件层，具体包括多功能接口电路、通讯模块接口、通讯、计量电路、温度RTC、时钟、存储及备用电源模块等组件。