基于Kinetis微控制器的三相電表設(shè)計
1 概述
目前，高效能源管理和輸配電方面存在各種挑戰(zhàn)，而嵌入式控制和集成連接功能將成為未來智能電網(wǎng)成功的關(guān)鍵，而智能三相電表是智能電網(wǎng)的終端環(huán)節(jié)和Z重要的基本構(gòu)建。
飛思卡爾三相電表方案按照中國電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.322-2008/ IEC 62053-22:2003設(shè)計。方案采用飛思卡爾Z新的基于ARM Cortex-M0+ 內(nèi)核44引腳的Kinetis M系列，KM14作為計量芯片，其基于ARM Cortex-M0+ 內(nèi)核100引腳的Kinetis L系列，KL36作為系統(tǒng)芯片。該方案可以簡化并加速設(shè)計者的設(shè)計流程，降低研發(fā)風(fēng)險及成本，縮短研發(fā)時間，確保客戶并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出有競爭力的產(chǎn)品。
2 系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)圖
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
2.2 系統(tǒng)描述
計量芯片KM14基于ARM Cortex M0+內(nèi)核，主頻可達50 MHz，可以用來做諧波分析和計量。其SPI可以與后端主MCU KL36進行通信。有4路獨立的24 位ΣΔADC，含有兩個可編程增益放大器，能夠滿足高精度計量。該設(shè)計之所以能夠?qū)崿F(xiàn)三相計量(如圖1下半部分紅色線所標(biāo)識)，是因為不但有4路獨立的24 位Σ-ΔADC，還有16 位SAR ADC，兩者進行相位補償算法以后，就可以滿足三相電表規(guī)范。
4個UART接口可以滿足國家電網(wǎng)載波485、紅外和PLC的相關(guān)要求。該設(shè)計不但可以滿足國家電網(wǎng)的計量規(guī)范，也可以滿足國外IEC 62053-22 和IEC 62053-23等計量標(biāo)準(zhǔn)。
低功耗模式，全速情況下可以實現(xiàn)97 uA/MHz,對于停電等情況可以得到很好的支持。
2.3 系統(tǒng)功能特點
根據(jù)以上的描述，總結(jié)出該系統(tǒng)的特點如下。
(1)電壓輸入范圍3×220~380 V;
(2)電流輸入范圍5~60 A;
(3)0.5S有用功計量精度。
3 系統(tǒng)功能
3.1 功能模塊
3.1.1 計量單元
本設(shè)計采用了Kinetis M系列MCU KM14作為計量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0+內(nèi)核，適用于單芯片1、2和3相電表和流量計，以及其他高精度測量應(yīng)用。Kinetis M系列MCU包括一個由多個24位Σ-ΔADC組成的強大的模擬前端、多個可編程增益放大器，還包括低溫度漂移的參考電壓以及一個相移補償器。
該設(shè)計另一個特點是高精度的計量，可以進行諧波分析，包括每一個諧波分量的計算。內(nèi)嵌的32×32乘法器，可以很好地支持諧波計量算法和復(fù)雜電能參數(shù)的計量。整個設(shè)計能夠完全滿足國家電表Z高等級電表的要求。
該電表的計量部分將傳統(tǒng)的4種低功耗模式換成了11種低功耗模式，可以靈活配置。系統(tǒng)的低功耗得益于Cortex-M0+內(nèi)核、飛思卡爾薄膜存儲器(TFS) Flash工藝以及外設(shè)的低功耗設(shè)計。除了低功耗，該設(shè)計有加密和安全模塊，符合AES、ECC和RSA的認證。
3.1.2 主控單元
電表的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時間計算等一系列處理還需要有核心微處理器，出于綜合考慮，本設(shè)計采用了Kinetis L系列KL36作為系統(tǒng)控制器。Kinetis L系列MCU集新型ARM Cortex-M0+處理器的卓越能效和易用性與Kinetis 32位MCU組合的性能、豐富的外設(shè)集、支持功能和可擴展性于一身。有了Kinetis L系列，設(shè)計者不再因限制功耗的問題而拘泥于8位和16位MCU。
4 軟件設(shè)計
該設(shè)計的軟件開發(fā)并不是從零開始，可以采用飛思卡爾的應(yīng)用架構(gòu)、基于濾波器的計量算法(如希爾波特濾波器)和FFT計量算法。其中，基于FFT的諧波分析算法在64點的FFT時，可以支持32次諧波。飛思卡爾提供的算法庫用來幫助精確計算有功、無功、總功率等。
5 通信協(xié)議
三相電表數(shù)據(jù)通信接口是為配合電力系統(tǒng)實現(xiàn)用電管理現(xiàn)代化而設(shè)計的。從前文中，我們可以知道本設(shè)計有兩路隔離RS-485輸出。
RS-485采用差分信號負邏輯，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有兩線制和四線制兩種接線，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)，在同一總線上Z多可以掛接32個節(jié)點。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。在使用RS-485接口時，對于特定的傳輸線路，從RS-485接口到負載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的Z大電纜長度與信號傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢龋@個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等因素所影響。理論上，通信速率在100 kp/s及以下時，RS-485的Z長傳輸距離可達1 200 m。
6 仿真實驗
該設(shè)計的目的就是在保持低功耗的同時達到高精度，仿真測試結(jié)果表明，該設(shè)計具有優(yōu)良的測量精度，并且保持低功耗，如圖2所示。
按照圖1所示的原理圖設(shè)計的Z終產(chǎn)品如圖3所示，從圖3可以看出，該設(shè)計體積緊湊，符合國際要求。
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