1、GC0202 电度表主控芯片技术手册 一. 芯片综及述主要特色GC0202 是 GC020X 系列的第二代电度表电表主控芯片, 主要功能其功能如下: 内置电参数处理器(cnt)可独立完成电能脉冲复费率计量 ,需量生成,时段指示,总计度器驱动，数据直接记录至铁电存储器（FRAM）等电度表所需基本功能，完全无须软件干预。 内置 4COM*32SEG LCD/8X8 LED 显示驱动器，能实现三年无外电 LCD 显示。 内置硬件低功耗实时时钟电路(RTC), 并包含温度补偿接口，能实现时钟精度温度自动补偿。 内置 16 位测温接口，支持低成本温度传感器。 内置 SPI 总线接口，支持流行的 ADI
2、及 CURRIS LOGIC 公司的电能计量芯片及其他 SPI 器件。 内置 400K I2C 总线接口支持 RAMTRON 公司 24C04/16/64 存储器及其他 I2C器件。 内置独立的双串口（UART） ，其中一路为红外通讯专用， TXD 信号已经经过38KHz 调制。 通讯显示控制处理器由高速 51 内核（clk/4 ）及周边电路构成，集成 256Bye IRAM+1024Byte XRAM 以及 16Kbyte OPT ROM，支持低功耗工作模式。 成熟的低功耗工业级芯片设计。 支持采用 MCM 技术在一个芯片内封入 Cirrus 或 ADI 公司的计量芯片 完善的开发手段(PM
3、VDT,高级软件仿真，硬件调试器， otp 编程器，完备的底层函数库)。 参看图一，芯片由下述部份组成：电参数处理模块：由电参数处理部件、20Hz 脉冲低通输入滤波器、秒脉冲输入、巡显按键开关输入、时钟模块通讯接口、I 2C 总线接口、总电量字轮及多用途脉冲输出、电量脉冲（可插入秒脉冲）输出、继电器输出等组成。时钟（RTC）模块：由晶体及振荡、时钟调校、日期时钟周生成、秒脉冲输入/输出、秒脉冲偏差比较器、补偿值生成接口等组成。显示通讯模块：由单片机（含 256Byte RAM、16K OTP ROM、1Kbyte XRAM,1 个双向带中断可编程并口（通讯成功、显示按键、硬件编程开关、UART
4、 通讯主/从控制） 、两个UART 异步串口（其中一个用于红外，串行输出有 38KHz 调制） 、SPI 口（6 线）一个4COM*32SEG LCD 驱动器（自带 32Byte 显示 SRAM） 、8MHz 主时钟产生与可编程分频输出（8/4/2/1/0.5MHz，用于 cpu 卡及 sam 模块时钟） 、38KHz 信号生成与调制、OTP ROM 写入接口（与 COM、 SEG 脚公用） 、I 2C 总线接口、Watchdog、8x8 LED 驱动器（所有输出线与 LCD 驱动的 COM、SEG 线共用，LED 显示缓冲 SRAM 为 8Byte，由LCD/LED 标志选用其一）等组成。温
5、度测量模块：由温度电阻（外接，引脚尽量靠近 32.768K 晶体） 、振荡电路（振荡频率 0.6-10KHz） 、等组成。电源管理模块：本芯片共有 2 组电源输入：+5V（Vcc：外电源） ，+3V （电池电源） 、掉电检测（内置） 、电池欠压检测（内置） 、Reset 信号生成及四种电源管理分配等组成。二. 电器特性三. 功能详解1.电参数处理器电参数处理器为芯片的重要模块之一，其输入量为二线电量脉冲和时间日期参数，由预设参数和标志决定其工作状态，依时间、条件或参数变化、状态标志变化而自动往FRAM 区指定地址保存相关处理结果，其通过 I2C 总线往 FRAM 区写入和读出数据均应进行数据验
6、证。电参数处理器由电参数处理部件、20Hz 脉冲低通输入滤波器、秒脉冲输入、表盖端钮盖开关输入、时钟模块通讯接口、I 2C 总线接口、多用途脉冲输出、电量脉冲（可插入秒脉冲）输出、继电器输出等组成。电参数处理器的主要功能为：接收三种模式的电量脉冲输入， ，并对输入电量脉冲进行20Hz 低通数字滤波；将滤波后的电量信号和来自 RTC 模块的时间/日期信息依据设定在FRAM 区中的各种参数和标记进行复费率计量处理，获得各种电量和最大需量等重要电参数；依据设定在 FRAM 区中的各种参数和标记，产生电量脉冲输出（可插入秒脉冲） 、途脉冲/ 电平输出、二种模式的继电器控制输出；记录正反电量脉冲总累计数
7、。下面分别叙述各功能技术要求细节如下：1、输入（电量脉冲）信号 20Hz 低通滤波器输入（电量脉冲）信号输入采用史密特输入方式，进行 20Hz 低通滤波处理。2、复费率计度电路电参数处理器应能完成带 17 脉冲输入预分频、3 种脉冲输入方式、反向输入脉冲可加至正向、可倒走、有尖峰平谷四费率计度模式的复费率计量；其中尖峰平谷四费率计度方式充许每年 4 个时区、每天 12 时段、3 套时段表（一套为简易表：特殊日期费率） 、13天节假日、周休的复费率计度。电参数处理器同时生成现行费率标志或现行时段标志、电量正反标志存入 FRAM 区指定单元。3、最大需量及发生时间电路电参数处理器应能完成周期 15
8、 分钟，滑窗 1 分钟（简记为：1/15） 、周期 30 分钟，滑窗 2 分钟（简记为：2/30）两种模式的最大需量及发生时间生成，同时能生成分钟脉冲数（与需量模式无关，2Byte Hex） 、当前需量（1/15 模式时为每分钟一次，2/30 模式时为 2 分钟一次，2Byte BCD，格式为：XX.XXKW）并将其写入 FRAM 指定单元，以用于软件的分钟功率及尖峰平谷最大需量的处理；运行那种需量模式，由需量记录方法标志决定， = “0” ，1/15 模式， = “1” ，2/30 模式；2/30 模式的工作方法为：每次输入 2 分钟（1/15 为 1 分钟）脉冲，每个脉冲倍乘数为 2（1/
9、15 为 4） ，每 2 分钟（1/15 为1 分钟 1 次）一次脉冲数处理成电量压栈，每 15 个数处理成一个当前需量值，比较得最大需量和发生时间。4、总脉冲数累计电参数处理器应能完成所有正反向电量脉冲的 BCD 累计，累计值实时存入 FRAM 区指定单元，超过“99999999” 时复位为“00000000” 再往上累计。5、电量脉冲输出电量脉冲输出脉宽 80mS 的经分频后的电量脉冲，但电量脉冲插入秒脉冲标记置为“1”时，使电量脉冲输出脚输出秒脉冲 N 个（数量见输出秒脉冲个数单元 2 Byte Hex） ，插入结束后自动动将电量脉冲插入秒脉冲标记清零。6、双字轮及多用途脉冲/电平输出双
10、字轮及多用途脉冲/电平输出的二只管脚，是用于驱动双字轮显示或驱动表示时段、电量方向、电量脉冲的 LED 灯的，为标准 TTL 输出，其输出内容和方式由平谷输出标志决定，平谷输出标志 Byte 的定义如下：D7D6 代表输出方式、 D5D4 代表第一条输出脚的时段、D3D2 代表第二条输出脚的时段、D1D0 恒为 “00”。具体规定如下：D7D6=“00”，为字轮输出方式，输出为低电平+20mS 脉冲（同 1.1 版） ，D5D4 描述第一条输出脚的信号脉冲时段，D3D2 描述第二条输出脚的信号脉冲时段，定义=10 尖、=11 峰 、=00 平 、=01 谷；D7D6=“01”，为单脚时段输出方
11、式，输出为电平，D5D4 描述第一条输出脚的时段，D3D2 描述第二条输出脚的时段，定义=10 尖、=11 峰 、 =00 平 、=01 谷，相应时段到，相应脚为高，其余为低；D7D6=“10”，为时段状态 +电量脉冲+反向输出方式，输出为低电平 +80mS 正脉冲，D5D4 描述第一条输出脚的信号脉冲时段，D3D2 描述第二条输出脚的信号脉冲，时段定义=10 尖、 =11 峰 、=00 平 、=01 谷，那一时段到，该时段内有电量脉冲到，输出80mS 高电平，此时若为反向，相应脚输出高电平，其它脚为低电平；D7D6=“11”，为时段状态 +电量脉冲输出方式，输出为高电平 +80mS 负脉冲，
12、D5D4描述第一条输出脚的信号脉冲时段，D3D2 描述第二条输出脚的信号脉冲，时段定义=10尖、=11 峰 、=00 平 、=01 谷，那一时段到，相应脚输出高电平，其它脚为低电平，该时段内有电量脉冲到，输出 80mS 低电平；7、继电器输出逻辑8、表盖打开、端钮盖开/关检测输入9、电池欠压、掉电检测电参数处理模块每分钟一次检测电池电压，发现开始欠压时，有外电期间取现行时间直接存入 FRAM 区相应单元，无外电时存至 RTC 的 SRAM 中；有外电时每分钟刷新电池欠压标志。外部掉电到来时，将 FRAM 区掉电标志置“1” ，上电时，将 FRAM 区掉电标志置“0”。10、电参数处理器往 FR
13、AM 区写数的认证与修改本芯片中认为 FRAM 区数据为最可靠，当前正反四费率/8 时段电量在写入 FRAM 区时，原值与差值应小于某一值（由两次写入的时间差来决定）且是不断增长的，如不符合上述要求，则不使用电参数处理器内部的 SRAM 值，改用 FRAM 区值；剩余电量或金额应不断减小且减小数小于等于尖峰平谷减值最大值，如不符合上述要求，则不用使电参数处理器内部的 SRAM 值，改用 FRAM 区值。其它电参数处理器 SRAM 值写入 FRAM 区，写完后应重新读入核对，核对正确后方认为写入结束。11、电参数处理器掉电保护芯片在检测到外电掉电情况下，电参数处理器应在 1mS 秒内完成相关的数
14、据的保存和硬件掉电保护工作。9、硬件参数处理器生成并在变化后写入 FRAM 区的参数列表表 2-1 10、硬件参数处理器实时生成并保存在内部的参数列表（该部份值 MCU 需要时从 MIF 模块读出）表 2-211、硬件参数处理器、RTC 电路、温度测量模块工作所用参数列表表 2-312、电参数处理器主要动作描述RTC 电路送来的时间参数：年月日时分秒周电能表 2.0 版硬件相关部分 FRAM 地址（V2.2 ）变量号内容 地址 长度(byte)初值 说明数据记录寄存器0 正向总电量 00 4 000000001 正向尖电量 04 4 000000002 正向峰电量 08 4 000000003
15、 正向平电量 0C 4 000000004 正向谷电量 10 4 000000005 反向总电量 14 4 000000006 反向尖电量 18 4 000000007 反向峰电量 1C 4 000000008 反向平电量 20 4 000000009 反向谷电量 24 4 00000000BCD 码，低字节为低位，高字节为高位，格式为 XX XX XX.XX10 剩余电量 28 5 0000000000 BCD 码，XX XX X.X XX XX正向尖脉冲寄存器 2D 2 000011正向峰脉冲寄存器 2F 2 0000正向平脉冲寄存器 31 2 000012正向谷脉冲寄存器 33 2 00
16、00反向尖脉冲寄存器 35 2 000013反向峰脉冲寄存器 37 2 0000反向平脉冲寄存器 39 2 000014反向谷脉冲寄存器 3B 2 0000二进制低 10bit 代表脉冲寄存器的值，高 4bit 代表当前是第几次 0.01 度脉冲数。如：2D 和 2E 的 D0 和 D1共 10bit 代表 10 位尖脉冲寄存器；2E 的 D7、D6、D5和 D4 代表第几次 0.01 度脉冲15 总脉冲数 3D 4 00000000 BCD 码总字轮分频寄存器 41 1 00 二进制总字轮脉冲输出状态 42 1 00 二进制16最大需量 43 2 0000 BCD 码17 正向时段切换电量
17、45 4 00000000 BCD 码18 反向时段切换电量 49 4 00000000 BCD 码19 正向上一时段切换电量 4D 4 00000000 BCD 码20 反向上一时段切换电量 51 4 00000000 BCD 码21 最大需量发生时间 55 4 00000000 BCD 码，月日时分配置寄存器控制寄存器 1 59 1 00 二进制D0：倒走标志0：正走 1：倒走D1：无意义D2：反向脉冲加向标志 0：反向不加入正向 1：反向加入正向D4D3：脉冲输入方式01：第一种 10：第二种 11：第三种D7D5：脉冲分频系数控制寄存器 2 5A 1 00 二进制D0：秒脉冲输入输出标
18、志 0：输出 1：输入D1：电量脉冲插入秒脉冲标志 0：不插入 1：插入D2：继电器模式0：普通双线继电器 1：磁保持继电器D3：最大需量清除标志0：不清除 1：清除D4：最大需量记录方式0：1 分钟 15 分钟模式1：2 分钟 30 分钟模式D5：继电器自动关断标志0：不自动关断 1：自动关断D6：预付费标志0：普通模式 1：预付费模式D7：继电器控制输出标志0：关断 1：开通脉冲常数 5B 3 001000 BCD 码，=100，60000 第 1 时区起始日期时段表号5E 3 010101第 2 时区起始日期时段表号61 3 010101第 3 时区起始日期时段表号64 3 010101
19、第 4 时区起始日期时段表号67 3 0101015E：时段表号5F：日期60：月份当 UART 输入一个时区起始日期时段表号时，要将其后的时区起始日期时段表号全部自动填充为该值 1 时段费率 1/时刻 0 (00:00)6A 1 00 低字节：分钟 BCD 码高字节：1 时段费率 2/时刻 1 6B 2 00001 时段费率 3/时刻 2 6D 2 00001 时段费率 4/时刻 3 6F 2 00001 时段费率 5/时刻 4 71 2 00001 时段费率 6/时刻 5 73 2 00001 时段费率 7/时刻 6 75 2 00001 时段费率 8/时刻 7 77 2 00001 时段
20、费率 9/时刻 8 79 2 00001 时段费率 10/时刻 9 7B 2 00001 时段费率 11/时刻 10 7D 2 00001 时段费率 12/时刻 11 7F 2 00001 时段费率 13/时刻 12 81 2 00002 时段费率 1/时刻 0 （00:00）83 1 00002 时段费率 2/时刻 1 84 2 00002 时段费率 3/时刻 2 86 2 00002 时段费率 4/时刻 3 88 2 00002 时段费率 5/时刻 4 8A 2 00002 时段费率 6/时刻 5 8C 2 00002 时段费率 7/时刻 6 8E 2 00002 时段费率 8/时刻 7
21、90 2 00002 时段费率 9/时刻 8 92 2 00002 时段费率 10/时刻 9 94 2 00002 时段费率 11/时刻 10 96 2 00002 时段费率 12/时刻 11 98 2 00002 时段费率 13/时刻 12 9A 2 00003 时段费率 1/时刻 0 （00:00）9C 1 00003 时段费率 2/时刻 1 9D 2 00003 时段费率 3/时刻 2 9F 2 00003 时段费率 4/时刻 3 A1 2 00003 时段费率 5/时刻 4 A3 2 00003 时段费率 6/时刻 5 A5 2 00003 时段费率 7/时刻 6 A7 2 00003
22、 时段费率 8/时刻 7 A9 2 00003 时段费率 9/时刻 8 AB 2 00003 时段费率 10/时刻 9 AD 2 00003 时段费率 11/时刻 10 AF 2 00003 时段费率 12/时刻 11 B1 2 00003 时段费率 13/时刻 12 B3 2 00004 时段费率 1/时刻 0 （00:00）B5 1 00004 时段费率 2/时刻 1 B6 2 0000D5D0：小时 BCD 码D7D6：10 尖 NN0111 峰 NN0200 平 NN0301 谷 NN04时段费率 1/时刻 0 中的时段费率 1 自动填写为输入的最后一个时段费率，时刻 0 只有一个字节
23、，自动填写为 0点和最后一个时段费率，分钟默认为 0 分。当 UART 输入一个时段费率/时刻时，将其后的所有时段费率/时刻单元全部自动填充为该值，并将此时段费率填充到时段费率 1，其他时刻类推4 时段费率 3/时刻 2 B8 2 00004 时段费率 4/时刻 3 BA 2 00004 时段费率 5/时刻 4 BC 2 00004 时段费率 6/时刻 5 BE 2 00004 时段费率 7/时刻 6 C0 2 00004 时段费率 8/时刻 7 C2 2 00004 时段费率 9/时刻 8 C4 2 00004 时段费率 10/时刻 9 C6 2 00004 时段费率 11/时刻 10 C8
24、 2 00004 时段费率 12/时刻 11 CA 2 00004 时段费率 13/时刻 12 CC 2 0000假日日期 1 CE 2 0000假日日期 2 D0 2 0000假日日期 3 D2 2 0000假日日期 4 D4 2 0000假日日期 5 D6 2 0000假日日期 6 D8 2 0000假日日期 7 DA 2 0000假日日期 8 DC 2 0000假日日期 9 DE 2 0000假日日期 10 E0 2 0000假日日期 11 E2 2 0000假日日期 12 E4 2 0000假日日期 13 E6 2 0000低字节：日期高字节：月份假日日期时段费率表表号E8 1 01
25、BCD 码，0104周休表E9 1 00 D6D1：周六周一D0：周日1 代表工作日，0 代表休息日报警值 EA 2 0000 BCD 码，XX X.X尖时减值 EC 3 000000峰时减值 EF 3 000000平时减值 F2 3 000000谷时减值 F5 3 000000BCD 码X.X XX XX输出秒脉冲个数 F8 2 0000 二进制平谷输出标志 FA 1 00 二进制D7D6：脉冲输出方式D5D4：第一条管脚输出D3D2：第二条管脚输出总字轮脉冲分频系数 FB 1 00 二进制剩余电量增加值 FC 4 00000000 BCD 码，XX XX X.X XX注：1 平时电量发生
26、0.01 度时启动写 FRAM 操作，将当前电量和剩余电量写入到 FRAM，地址从 00 到 2C，共计 45 个字节，按照 400kbps 的速度写入 FRAM 需要 1ms 左右2 断电信号到来后，启动断电写操作，将内部脉冲寄存器、电量数据、最大需量、时段切换电量等全部写入到 FRAM，地址从 00 到 58，共计 89 个字节，按照 400kbps 的速度写入 FRAM 需要 2ms 左右3 地址从 00 开始到 58 的寄存器，断电需要保存，上电时由 DIF 从 FRAM 读出后写入CNT4 地址从 59 开始到 FF 的寄存器属于配置寄存器，由 MCU 直接写 FRAM，上电后 DI
27、F从 FRAM 读出后写入 CNT，平时和断电时内部硬件不需要写入 FRAM4、时钟（RTC）模块参看图 2-1，时钟（RTC）模块由 32768Hz 晶体及振荡电路、RTC 电路 SRAM 及相关电路、时钟调校电路、日期时钟周生成电路、双 I2C 总线接口、秒脉冲输入/输出电路、秒脉冲偏差比较器、补偿值输入接口及 I2C 总线接口等组成。本模块的主要功能为：本模块分两个部份：一个部份（虚框内）为晶体及振荡、时钟调校、时钟/日期（含周）三部份电路组成，这一部份在有无外电时均要求正常可靠工作，并且要求功耗小于 1A；另一部份为秒脉输入 /输出、秒脉冲偏差比较、补偿数据输入 接口及 I2C 总线接
28、口，这一部份仅在有外电时工作。模块第一部份完成 32768Hz 时钟产生、依调校值每 10 秒修正一次时间（9 个秒脉冲不修正，第 10 个修正） 、产生周（初始周值由MCU 处理） 、年、月、日、时、分、秒等时钟/日期值同步写入 FRAM 区指定单元并能自动润年；模块另一部份完成：正常状况下读 FRAM 区指定单元的时钟调校值送时钟调校电路以修正秒脉冲输出；较正状况下取 10 个标准秒脉冲输入与本模块 32768Hz 时钟进行偏差比较，得到此条件（此时、此温度）下的时钟调校值并输入 FRAM 区指定单元，I 2C 总线接口用于读写 FRAM 区数据。RTC 电路 SRAM 及相关电路在外电停
29、止开始及期间采集相关参数并保存在其 SRAM 中，以便上电时读走。下面分别叙述各功能电路技术要求细节：1、 晶体及振荡电路应实现宽温（-40+65 ） 、低功耗和可靠的 32768Hz 振荡。2、 时钟调校电路由时钟调校寄存器一个, 时钟修正电路一个组成；MCU 将 1Byte 补码值形式的时间调校值写入 FRAM 区对应单元后，应能自动映射至时钟调校寄存器，时钟修正电路按此值进行调校。修正方法是：时钟修正电路依椐时钟调校寄存器的值对 32.768KHz 振荡信号每 10秒钟进行一次修正，若该值为负，每 32768*10 个脉冲最后少计相应个数脉冲,就对32768 分频器进行清零；若该值为正，每 32768*10 个脉冲后再计相应个数脉冲,才对32768 分频器进行清零。按上述方法调校可以实现加减 1 个脉冲修正外晶体时钟误差0.263671875 秒/天, 最大调整范围为33.486328125 秒/ 天。3、 时钟/日期（含周）电路完成星期、年、月（润月） 、日、时、分、秒、周的计时，同步映射至相应 FRAM
