一种计量芯片专用新型UART通信接口研究-AET-电子技术应用

一种计量芯片专用新型UART通信接口研究

集成电路应用

苗书立，曾培楷，吴呈呈

深圳市锐能微科技有限公司

摘要： 单相电能计量芯片通常采用标准UART接口与主控MCU进行交互，由UART接口接收MCU发送的读写命令完成相应操作，并通过多个专用引脚将信号传输给MCU，包括但不限于有功脉冲、无功脉冲、中断信号、过零信号等。计量芯片与MCU之间一般需要通过光耦进行电气隔离，为了减少计量芯片的引脚数量，并达到节省电气隔离光耦的目的，文中提出一种计量芯片新型专用LSTX通信接口，该接口在UART的发送协议基础上进行扩展，采用自定义帧格式实现数据主动打包上传，将计量芯片的多种数据信息经TX通信口传给主控MCU，这可以省去多个脉冲引脚，实现更低的电气隔离成本。文中还提出通过LSTX进行计量芯片RC时钟校正的方案，可以使MCU通过LSTX接口测量到无晶振计量芯片内部RC时钟的频率，并针对RC时钟频率偏差进行硬件校准补偿，以计算出脉冲出现的准确时间，从而使MCU接收到整个数据包后对计量芯片的电能脉冲信息进行正确解析，这有利于实现免晶振计量，进一步降低整机物料成本。

关键词： LSTX 串行通信协议数据主动上传免晶振计量芯片集成电路应用

中图分类号：TM933文献标识码：ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.05.003
中文引用格式：苗书立，曾培楷，吴呈呈. 一种计量芯片专用新型UART通信接口研究［J］.集成电路应用，2026，43（5）：19-27.
英文引用格式：Miao Shuli, Zeng Peikai, Wu Chengcheng. Study of a new UART communication interface dedicated to metering chip［J］.Application of IC，2026，43（5）：19-27.

Study of a new UART communication interface dedicated to metering chip

Miao Shuli, Zeng Peikai, Wu Chengcheng

Shenzhen Renergy Corp., Ltd.

Abstract： Single-phase energy metering chip typically interacts with the MCU via standard UART interface. It receives read/written commands from MCU through the UART interface to complete corresponding operations and transmit signals to the MCU through multiple exclusive PADs, including but not limited to active energy pulses, reactive energy pulses, interrupt signals, and zero-crossing signals. Electrical isolation between the metering chip and the MCU is generally required through optoelectronic isolators. To reduce the number of the PADs of metering chip and optoelectronic isolators, a new dedicated LSTX communication interface for metering chips is proposed in this paper. Expanded via the UART transmission protocol, LSTX realizes active packaging and upload of data through a custom frame format. Various data information of metering chip is transmitted to MCU through the TX communication port. This approach eliminates multiple pulse-dedicated PADs, lowering optoelectronic isolator costs. Additionally, an R-C clock calibration scheme using LSTX is introduced.

Key words : LSTX; serial communication protocol; active data upload; crystal oscillator-free metering chip; calibration compensation

引言

智能电表是法制计量器具，承担着公平、公正计量的任务，未来随着能源互联网的建设，还需要承担更多的感知和监控功能。智能电表通常由计量芯片和微控制器（Microcontroller Unit, MCU）及其外围设备组成［1］，计量芯片负责计量及测量工作，单相计量芯片一般通过通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART）接口将计算结果传递给MCU来做进一步的处理，同时通过数个独立的IO口将电能脉冲以及过零信号传给MCU。由于单相计量芯片一般以火线为地，为了进行电气隔离，计量芯片与MCU之间存在数据交互的引脚必须通过光耦等隔离器件进行电气隔离。对于高精度的计量芯片，需要传输给微处理器的信号类型越多，则意味着计量芯片所需要的专用引脚数量越多，那么整个电能计量系统用于MCU和计量芯片之间电气隔离的光耦成本也随之增加。另一方面，随着集成电路工艺的发展，数字门电路的尺寸不断地缩小，但引脚的缩减比例无法比肩数字门电路的缩减比例。数据交互的复杂性增长，使集成电路需要更多的引脚与其他电路或设备进行联结，这将导致一种趋势，即便芯片内部电路面积不大，但最终芯片的总面积受制于引脚的面积而无法被压缩，这种情况被称为PADlimited［2］。为了尽可能避免PADlimited的情况，应在芯片设计阶段控制引脚的数量。总之，计量芯片与MCU之间的接口越简单越好，这不仅能节省电气隔离的光耦数量，也能减少计量芯片的引脚数量。

除了减少接口数量的需求，为了进一步降低整机成本，近年来免晶振计量芯片也逐步开始应用。晶振作为计量芯片的工作时钟，承担着非常重要的功能，对于无晶振的计量芯片，一般使用内部电阻-电容（ResistorCapacitor,R-C）振荡器作为时钟电路，R-C振荡器或多或少存在偏差，针对R-C频率偏差的多种校准方案已被提出［3］。其偏差不仅会影响UART通信波特率的准确性，也会影响计量芯片计量精度，一般情况下RC的设计精度可以保证UART的准确通信，但是无法满足计量的精度要求。因此，需要通过技术手段对RC的偏差进行实时的校准，从而消除RC偏差对计量带来的不良影响。

本文在UART通信接口技术的基础上扩展设计了LSTX接口，通过复用原有的串行通信口（TX通信口），将计量芯片的电能脉冲信息、过零数据和计量参数等多种计算结果信息传输给MCU，以此有效地减少计量芯片的引脚数量，进而节省电气隔离的光耦个数。与此同时，新定义的LSTX数据帧格式有利于MCU测量计量芯片内部R-C的时钟频率，并且文中针对时钟频率偏差制定了硬件校准补偿方案，从而保证MCU能正确解析接收到的电能信息，该格式可以有效消除R-C频率偏差对于计量精度的影响，从而支持计量芯片的免晶振设计，可进一步降低芯片成本。

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苗书立，曾培楷，吴呈呈

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