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基于RL78/G13、Si4438、EFR32FG主控器件的三相表解决方案

来源： Silicon Labs

2018-02-23

类别：工业控制

217

拍明

　　2016年开始在运行的智能电表逐渐步入更换周期，市场上出现了新的电表需求，比如四表集抄。而多表集抄的关键实现因素在于通信协议。针对这种情况，同时也为了兼容其他设备，国家电科院起草拟定了新的电表标准协议，即面向对象的互操作新数据交换协议DL/T698.45。

　　基于RL78/R5F100PL的三相智能电表方案适用于设计国网、南网三相电子式(高精度)电能表。该方案支持最新698规约PLC、低功率无线、RS485及红外通讯，可测量频率为45Hz~65Hz的三相有无、功分时电能量及电压电流等参数，执行各种计量、控制和通信功能，使智能电表的研发变得更快、更方便，如下图1所示。

　　瑞萨G13系列RL78/R5F100PL与R5F100PJ采用同样的内核和同样的内部外设，但存储容量翻倍。R5F100PL总线时钟为32MHz，其内部ROM达到512k，RAM达到32k，8k DataFlash，100pin，100w次擦写，完全满足国网新协议的设计资源需求。此外，R5F100PL 8通道的SPI总线和IIC总线支持实现与其他模块协同通讯，其4通道的UART可实现RS485通讯、GPRS模块等等其他通讯。

　　RL78/R5F100PL资源丰富，性能更高，基于16位CISC架构，产品线完备，模拟外设功能齐全，是兼具低功耗和高性能的小型、高能效系统。该款产品电压范围为1.6V~5.5V，采用LQFP-100封装。内置32M晶振、看门狗和12bit定时器专用，配有内部硬件乘除法器和高速片上振荡器，支持片上调试功能和ECC;具有超低功耗，STOP模式下电流小于1uA，同时该模式下可进行ADC及串行接口操作。而0.57uA@STOP模式下实现RTC、WDT、LCD工作，0.92uA@32.768KHz HALT模式下，RTC、WDT、LCD工作。

【RL78/G13】

The standard for general-purpose microcontroller with low power, high function, and abundant lineup

RL78/G13 microcontrollers balance the industry's lowest level of consumption current (CPU: 66 μA/MHz, standby (STOP): 230 nA) and a high performance of 41 DMIPS (32 MHz). They have an on-chip oscillator, data flash, A/D converter, and more. Built-in safety features (function that detects illegal operation of hardware) enable support for the household appliance safety standard (IEC/UL 60730). With a broad 20 to 128-pin lineup and up to 512 KB on-chip flash memory, these microcontrollers can be used in a wide variety of applications from home and consumer appliances to industrial equipment.

Key Features:

ITEM		RL78/G13
Pin Count		20/24/25 pins	30/32/36 pins	40 pins
CPU Core		RL78 Core
Prpgram Flash (KB)		16 to 64	16 to 128	16 to 192
Data Flash (KB) ※2		4 R5F1006x R5F1007x R5F1008x	4 to 8 R5F100Ax R5F100Bx R5F100Cx	4 to 8 R5F100Ex
SRAM (KB)		2 to 4	2 to 12	2 to 16
Main System Clock	High-speed system clock(fMX)	X1 (crystal/ceramic) oscillation, external main system clock input (EXCLK): 1 to 20 MHz (VDD = 2.7 to 5.5 V) 1 to 16 MHz (VDD = 2.4 to 5.5 V) 1 to 8 MHz (VDD = 1.8 to 5.5 V) 1 to 4 MHz (VDD = 1.6 to 5.5 V)
Main System Clock	High-speed on-chip oscillator clock (fIH)	1 to 32 MHz (VDD = 2.7 to 5.5 V) 1 to 16 MHz (VDD = 2.4 to 5.5 V) 1 to 8 MHz (VDD = 1.8 to 5.5 V) 1 to 4 MHz (VDD = 1.6 to 5.5 V)
Subsystem Clock		-		XT1 (crystal) oscillation, external subsystem clock input (EXCLKS) 32.768 kHz
Low-speed on-chip oscillator clock		15 kHz (VDD = 1.6 - 5.5 V)
I/O port	TOTAL	16/20/21	26/28/32	36
	N-ch open drain I/O (6 V tolerance)	-/2/2	2/3/3	3
	N-ch open drain I/O (VDD tolerance)	5/5/6	9/9/10	10
Timer	16 bit (TAU)	8 ch, PWM　output/20 pins: 2, 24 pins: 3, 25 pins: 3))	8 ch, PWM　output x 3	8 ch, PWM　output x 3
	12-bit interval timer	1
	Watchdog timer	1
Serial Interface	CSI:1 ch/UART:1 ch/simplifiedI²C: 1 ch	2
	CSI:2 ch/UART:1 ch/simplifiedI²C: 2 ch	-
	CSI:1 ch/UART (LIN-bus corres-pondence): 1 ch/simplifiedI2C: 1 ch	-	1/1/-	-
	CSI:1 ch/UART(bus corres-pondence):1 ch/simplifiedI2C:2 ch	-	-/-/1	1
	I²C bus	-/1/1	1
8/10-bit resolution A/D converter		6	8	9
Clock/Buzzer output		-/-/1	2
Power-on reset		ON
DMA		2
External interrupt pins		3/5/5	6	10
Multiplier/divider/multiply-accumulator		Multiplication/Division multiply library support (unit operations)
Safety Function		RAM parity error detection Invalid memory access detection Frequency detection A/D converter testing CRC calculation（General purpose、High-speed) RAM guarding SFR guarding
On-chip debug		ON
Power supply voltage		VDD=1.6～5.5V
Operating ambient temperature		TA = - 40 to + 85 ℃ (A-version for consumer applications and D-version for industrial applications) TA = - 40 to + 105 ℃(G-version for industrial applications)

※1 64-pin BGA (4 × 4) package product has a ROM size of 32 KB to 256 KB.

※2 When I use data flash, an exclusive library (approximately 8.1 K byte) is necessary.

Pin Count / Memory Size Lineup:

Program Flash
SRAM

512KB 32KB								●^34	●^34	●^34	●^34
384KB 24KB								●^*4	●^*4	●^*4	●^*4
256KB 20KB								●^*2	●^*2	●^*2	●^*2
192KB 16KB							●	●	●	●	●
128KB 12KB				●	●	●	●	●	●	●	●
96KB 8KB				●	●	●	●	●	●	●	●
64KB 4KB	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1	●^*1
48KB 3KB	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●
32KB 2KB	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●
16KB 2KB	●	●	●	●●	●	●	●	●	●	●
16KB 1.5KB	●	●
12KB 1KB	●	●		●
8KB 768B	●	●		●
4KB 512B	●	●		●
2KB 256B	●
Pins Package	20 LSSOP	24 HWQFN	25 WFLGA	30 LSSOP	32 HWQFN	36 WFLGA	40 HWQFN	44 LQFP	48 LFQFP	48 HWQFN	52 LQFP

*1 : 3KB available when the self-programing function is used.
*2 : 19KB available when the self-programing function is used.
*3 : 31KB available when the self-programing function is used.
*4 : -40 to 105℃ products do not exist.

● RL78/G12

● RL78/G13

Block Diagram:

RL78/G13.png

　　目前国网无线抄表系统均采用性价比更具优势的低频无线自组网技术。Silicon Labs推出的无线收发芯片Si4438与MCU、晶体及少量被动组件可搭建出具有高性价比的Sub-GHz无线收发方案，满足我国无线抄表应用。Si4438符合国网自组网标准，已在多家智能电表厂商的产品中大量采用。Si4438空旷直线穿墙距离超过2km@20dBm，接收灵敏度为-124dBm，工作频率范围为425~525MHz，是基于470~510MHz频段设计的。该频段是国家划分的无线抄表专用频段，信道相对干净，干扰小，确保数据采集与管理精确可靠。

　　在无线抄表系统中，由电源直接供电，因此对无线芯片的功耗要求较高。Si4438电压供给为1.8V到3.6V，具有超低功耗，可使无线抄表电池使用寿命最大化，续航时间达到了20年以上。其休眠/待机电流(寄存器内容保留)仅为50nA，比目前市场上同类产品低40倍;当其处于工作模式时，TX电流消耗为75mA，RX电流消耗为14mA;可快速唤醒。

　　Si4438采用4mm X 4mm封装，是同类产品中最小的封装。此外，相比于同类产品，Si4438收发器具有高集成度和高性能，在无线应用中无需添加片外功率放大器PA、低噪声放大器LNA及表面声波滤波器SAW，最大程度降低了电路板面积和BOM成本。Si4438的优势还体现在：最大输出功率为20dBm，0.25dB步进;调制方式有FSK和OOK;数据速率范围为0.1~500Kbps;邻道抑制达到58dB，具有优异的隔离性能;集成天线极化和开关控制。

　　型号：SI4438-C2A-GMR 品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FMR 品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FM 品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-C2A-GM 品牌：SILICON LABS

　　型号：SI4438-B1C-FDI 品牌：SILICON LABS

【Si4438】

HIGH-PERFORMANCE, LOW-CURRENT TRANSCEIVER

Features

> Frequency range = 425–525 MHz

> Receive sensitivity = –124 dBm

> Modulation

》(G)FSK

》OOK

> Max output power

》+20 dBm

> Low active power consumption

》14 mA RX

> Ultra low current powerdown modes

》30 nA shutdown, 50 nA standby

> Data rate = 100 bps to 500 kbps

> Fast wake and hop times

> Power supply = 1.8 to 3.6 V

> Excellent selectivity performance

》58 dB adjacent channel

》75 dB blocking at 1 MHz

> Antenna diversity and T/R switch control

> Highly configurable packet handler

> TX and RX 64 byte FIFOs

> Auto frequency control (AFC)

> Automatic gain control (AGC)

> Low BOM

> Low battery detector

> Temperature sensor

> 20-Pin QFN package

> IEEE 802.15.4g ready

> China regulatory

Applications

> China smart meters

Description

Silicon Laboratories' Si4438 is a high-performance, low-currenttransceivers covering the sub-GHz frequency bands from 425 to525 MHz. The Si4438 is targeted at the Chinese smart meter market andis especially suited for electric meters. This device is footprint- andpin-compatible with the Si446x radios, which provide industry-leadingperformance for worldwide sub-GHz applications. The radios are part ofthe EZRadioPRO® family, which includes a complete line of transmitters,receivers, and transceivers covering a wide range of applications. Allparts offer outstanding sensitivity of –124 dBm while achieving extremelylow active and standby current consumption. The 58 dB adjacent channelselectivity with 12.5 kHz channel spacing ensures robust receiveoperation in harsh RF conditions. The Si4438 offers exceptional outputpower of up to +20 dBm with outstanding TX efficiency. The high outputpower and sensitivity results in an industry-leading link budget of 144 dBallowing extended ranges and highly robust communication links.

Functional Block Diagram

图片.png

　　Silicon Labs推出的多协议片上系统(SoC)EFR32 Flex Gecko系列产品可为设备提供灵活的连通性，优化专用无线协议，客户按实际需求即可在低频段内方便、快速开发出满足自身产品所需的私有协议。除了提供无线连接、简化连接设备的设计任务之外，无线SoC还可帮助开发人员设计高度差异化产品，提升用户使用体验，在更小的外形尺寸和更低的功耗范围内集成多种功能，缩短产品上市时间等。

　　EFR32FG采用Silicon Labs无线电抽象和接口层软件，简化无线电配置且降低专用无线开发的复杂性，方便开发人员迁移在Silicon Labs Wireless Gecko产品和无线IC之间的应用代码。同时EFR32FG采用ARM Cortex-M4内核、节能的Gecko技术、先进的硬件加密技术，配有灵活的SoC架构以及支持多种差异化物理层。

　　Silicon Labs Gecko技术的优点在于架构完善的能源模式、唤醒/休眠转换快速以及外设反射系统PRS，在MCU内核处于休眠时即可实现外设的自动化操作，降低系统的功耗。此外，由于ARM Cortex-M4处理器带有强大浮点和DSP能力，Gecko MCU工作模式功耗仅为63µA/MHz。

　　EFR32FG提供灵活的SoC架构，同时为了提高能效和应用代码密度，内置硬件加密加速器，其片上加速器支持先进算法，如AES、ECC、SHA-1、SHA-224/256，实现快速、高效节能的自主加密和解密，且使CPU最小化介入，满足设备安全性要求。

　　EFR32FG具有丰富的GPIO口及UART口，同时内置电源管理模块，将可编程的功率放大器PA和平衡-不平衡转换器集成在一起，进一步降低物料清单成本和设计复杂度，为远距离连接应用需要提供可扩展的输出功率范围：-30dBm到+19.5dBm。

【EFR32FG】

Silicon Labs EFR32FG Flex Gecko SoC整合一个节能ARM Cortex M4 MCU和具有高集成度的无线收发器，可支持专有无线协议。EFR32FG单芯片解决方案具有行业领先的能源效率、超快的系统恢复时间、一个可升级功放、一个内置2.4GHz平衡转换器以及强大的MCU。

EFR32FG Flex Gecko SoC非常适用于物联网设备的节能专有协议网络。Flex Gecko应用包括商业和零售、家庭和楼宇自动化及安全、测量、电子货架标签以及工业自动化。

特性

32位ARM® Cortex®-M4内核，工作频率高达40MHz

不同尺寸QFN封装支持可扩展内存和无线配置选项

12通道外设反射系统，可实现MCU外设自主交互

自主硬件加密加速器和随机数发生器

内置2.4GHz平衡转换器和功放支持输出功率高达19.5dBm

集成DC-DC具有射频噪音消减功能

应用

商业和零售

家庭和楼宇自动化及安全

测量