一種基于SoC的三相智能電表設(shè)計(jì)

陶 軍 ，呂新偉

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210036；2.湖南威勝集團(tuán)公司，湖南長(zhǎng)沙410205)

智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，以各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合的現(xiàn)代電網(wǎng)[1-4]。智能電表作為智能電網(wǎng)的最終節(jié)點(diǎn)，是智能電網(wǎng)的重要組成部分，加快其發(fā)展對(duì)于電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化具有重要支撐作用[3-6]。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子芯片的集成度得到了極大提高，使得將整個(gè)計(jì)算機(jī)集成到一個(gè)芯片，即片上系統(tǒng)（System-on-Chip）成為可能[7]。 SoC不但集成度高，更重要的是具有應(yīng)用領(lǐng)域的行為和功能特征，具有更多的應(yīng)用專業(yè)知識(shí)含量，使整機(jī)成本和體積以及功耗都大大降低，加快了整機(jī)系統(tǒng)更新?lián)Q代的速度。與單功能芯片相比，SoC芯片具有體積小、印制電路板（PCB）空間占用少、功耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性高、成本低等優(yōu)勢(shì)[7，8]。同時(shí)，采用SoC可以減少外圍電路芯片，降低整機(jī)成本。

1 MK30N512VMD100微控制器簡(jiǎn)介

MK30N512VMD100是Freescale公司的K30系列微控制器族的一員，其內(nèi)核采用32位的ARM Cortex-M4，性能可達(dá)1.25 DMIPS/MHz。工作頻率最高100 MHz。MK30N512VMD100支持10種低功耗模式，支持低功耗定時(shí)器和低功耗RTC，為智能電表低功耗設(shè)計(jì)提供有利支持。

MK30N512VMD100內(nèi)部集成128 kB的RAM存儲(chǔ)器和512 kB的Flash存儲(chǔ)器；內(nèi)置DMA控制器，提供32個(gè)完全可編程通道；集成16位SAR ADC，最大可支持4路差分信號(hào)或24路單端信號(hào)的模擬量輸入；集成段碼液晶驅(qū)動(dòng)模塊，最大支持48個(gè)液晶引腳，且段信號(hào)和公共端信號(hào)引腳可配置，其中段碼信號(hào)最大支持44路，公共端信號(hào)最大支持4路；支持6路UART異步通信接口，3路SPI和2路I2C同步通信接口；同時(shí)，MK30N512VMD100集成了RTC、看門狗和硬件CRC發(fā)生器。

2硬件設(shè)計(jì)

SoC智能電表硬件由電源模塊、計(jì)量單元、顯示單元、存儲(chǔ)單元、通信單元和輸入輸出單元6大部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1三相SoC智能電表硬件框圖

電源是電能表工作的基本條件，由于在停電狀態(tài)下對(duì)電表有顯示和抄讀的要求，同時(shí)要求停電不影響電表時(shí)鐘連續(xù)，因此，需要在停電狀態(tài)下通過后備電源對(duì)電表進(jìn)行供電。且在設(shè)計(jì)中，電源模塊分為主電源模塊和輔助電源模塊。主電源電路由電壓進(jìn)線端交流電源供電，為智能電表提供3.3 V和12 V直流電源，3.3 V直流電源為智能電表內(nèi)部數(shù)字電路供電，12 V直流電源為電表外接通信模塊和輔助端子供電，同時(shí)為內(nèi)部繼電器提供驅(qū)動(dòng)電流。輔助電源采用電池供電，在220 V交流電停電情況下，為智能電表提供3.3 V直流電源，由于電池容量有限，為延長(zhǎng)電池壽命，不可能維持電表所有硬件的正常運(yùn)行，所以在電池供電的情況下，依照智能電表的功能需求，僅對(duì)MCU、LCD液晶板和紅外通信電路供電，其余外部設(shè)備的電源均處于關(guān)閉狀態(tài)。

計(jì)量單元是智能電表的核心工作單元。在很多電能表的設(shè)計(jì)中，計(jì)量單元采用獨(dú)立的計(jì)量芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率、無功功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、相角等數(shù)據(jù)的測(cè)量和電能量的計(jì)量。在基于SoC的智能電表中，使用內(nèi)部的高精度的AD進(jìn)行電壓電流采樣，通過軟件計(jì)算獲得計(jì)量數(shù)據(jù)，因此相對(duì)于采用獨(dú)立計(jì)量芯片的方案，SoC智能電表的計(jì)量單元得以簡(jiǎn)化，只保留了交流電壓、電流信號(hào)的模擬變換電路。

SoC智能電表顯示采用段碼液晶，按照智能電表表功能需求以及客戶的要求，液晶顯示屏顯示需要設(shè)定的相關(guān)項(xiàng)，同時(shí)配合按鍵使用，完成相關(guān)項(xiàng)的顯示。由于MK30N512VMD100芯片內(nèi)置液晶驅(qū)動(dòng)模塊，所以顯示單元的設(shè)計(jì)大大得到了簡(jiǎn)化，液晶引腳與MK30N512VMD100液晶驅(qū)動(dòng)引腳直接進(jìn)行連接。因智能電表顯示內(nèi)容十分豐富，液晶段數(shù)很多，則MK30N512VMD100的液晶驅(qū)動(dòng)采用32個(gè)段信息，8個(gè)公共端的配置方式。

存儲(chǔ)單元由1片F(xiàn)lash芯片和1片EEPROM芯片構(gòu)成。Flash芯片采用AT45DB161D，通過SPI接口與MK30N512VMD100連接，用來存儲(chǔ)負(fù)荷記錄、凍結(jié)數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)、時(shí)間記錄等只需寫入一次、此后只需抄讀的數(shù)據(jù)；EEPROM芯片采用24LC256，用來保存電表參數(shù)和掉電保護(hù)數(shù)據(jù)，通過I2C接口與MK30N512VMD100連接。通信單元提供智能電表對(duì)外通信的接口，包括1路RS-485通信接口、1路紅外通信接口和1路通信模塊接口電路，這3路對(duì)外通信接口分別占用MK30N512VMD100的UART0，UART1和UART2。對(duì)RS-485通信電路，需要對(duì)485轉(zhuǎn)換芯片的RE/DE引腳進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)485通信的收發(fā)切換。對(duì)通信模塊接口電路，由于智能電表的功能需求需要，增加RST、STA狀態(tài)輸入和EVENT狀態(tài)輸出。輸入輸出單元提供外部數(shù)字信號(hào)的輸入輸出接口，主要有輔助端子信號(hào)的輸入輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路，按鍵、編程鍵及開蓋檢測(cè)信號(hào)的輸入，繼電器的驅(qū)動(dòng)電路等。

3軟件設(shè)計(jì)

由于SoC智能電表省去了外置專用計(jì)量芯片，對(duì)電量的計(jì)量必須通過對(duì)電壓、電流進(jìn)行AD采樣，由軟件進(jìn)行計(jì)算處理。因此SoC智能電表軟件分為計(jì)量程序和管理程序兩部分。

3.1計(jì)量程序

計(jì)量是智能電表的核心功能，計(jì)量精度對(duì)智能電表的產(chǎn)品質(zhì)量起著決定作用，要保障計(jì)量精度就必須保障對(duì)電壓電流采樣的時(shí)間周期恒定，因此SoC智能電表通過自動(dòng)重載定時(shí)器來啟動(dòng)電壓電流采樣，以保證采樣周期恒定[9]。但由于MK30N512VMD100只有4路差分采樣通道，這就決定不可能對(duì)A，B，C三相同時(shí)進(jìn)行電壓和電流采樣，因此在定時(shí)器中斷服務(wù)只啟動(dòng)A相電壓電流采樣，由在AD中斷服務(wù)程序中依次啟動(dòng)其余B相和C相的電壓電流采樣。當(dāng)一個(gè)周波采樣完成后，進(jìn)行計(jì)量計(jì)算。計(jì)量程序流程如圖2所示。

圖2計(jì)量程序流程圖

由于A相電壓電流采樣是由定時(shí)器啟動(dòng)，所以在AD中斷服務(wù)程序中只需要啟動(dòng)B相和C相的電壓電流采樣。將A，B，C三相分別記為第一相、第二相、第三相，在AD中斷服務(wù)程序中，首先判斷產(chǎn)生當(dāng)前中斷的是第幾相的采樣，如果為第三相采樣（即C相電壓電流采樣），則判斷三相采樣完成，否則啟動(dòng)下一相的采樣。A，B，C三相采樣完畢，記為一個(gè)采樣點(diǎn)，由于計(jì)量算法要求一個(gè)周波的采樣數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)一個(gè)周波采樣完成后才能進(jìn)行計(jì)量計(jì)算。而在三相交流電中，A，B，C三相的電壓頻率是一致的，因此判斷周波可以以任意一相電壓波形是否為一個(gè)周波為依據(jù)。如果完成了一個(gè)周波內(nèi)所有三相電壓電流采樣，則計(jì)算一次周波瞬時(shí)值，并進(jìn)行電量累加，然后根據(jù)累加的電量和脈沖常數(shù)，輸出電量脈沖。最后以1 s為一個(gè)周期，對(duì)電壓、電流、功率等計(jì)量數(shù)據(jù)取平均值輸出，供管理程序使用。計(jì)量計(jì)算的數(shù)據(jù)有分相有功功率、無功功率、電壓有效值、電流有效值、相角、功率因數(shù)。有功電量數(shù)據(jù)和無功電量數(shù)據(jù)通過對(duì)功率求積分獲得，三相總功率通過對(duì)分相功率求代數(shù)和求得，三相總功率因數(shù)通三相總有功功率和總無功功率計(jì)算得出。秒數(shù)據(jù)輸出存放到公共變量緩沖區(qū)，供管理程序讀取。

3.2管理程序

由于智能電表功能較多，管理軟件規(guī)模較大，嵌套程序頻繁，為使程序易于調(diào)試、具有更好的可讀性和便捷的維護(hù)性，SoC智能電表軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，即通過主程序循環(huán)調(diào)用子程序的工作模式。管理程序主流程如圖3所示。

圖3管理程序主流程圖

電表在初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)，依次調(diào)用各功能模塊。管理程序功能模塊主要有電能計(jì)量、需量計(jì)量、數(shù)據(jù)凍結(jié)、電量結(jié)算、通信、LCD顯示、事件記錄等。系統(tǒng)上電后應(yīng)首先初始化系統(tǒng)資源，它大致可以分為MCU初始化、外圍功能初始化、功能模塊初始化。MCU初始化對(duì)MCU的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括時(shí)鐘選擇、CPU運(yùn)行模式字、內(nèi)存配置等；外圍功能初始化對(duì)相關(guān)外圍設(shè)備進(jìn)行配置，如UART，I2C，SPI，ADC等，同時(shí)自動(dòng)重載定時(shí)器，啟動(dòng)電表計(jì)量；功能模塊初始化則初始化各功能模塊的全局變量，為進(jìn)入主循環(huán)后各功能模塊正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

由于計(jì)量程序是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，計(jì)量數(shù)據(jù)的更新不受主程序控制，為保證主程序中數(shù)據(jù)的一致性，在每次執(zhí)行主循環(huán)任務(wù)前，首先對(duì)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，將計(jì)量程序輸出的計(jì)量數(shù)據(jù)拷貝一份，管理程序各功能模塊執(zhí)行時(shí)均使用該數(shù)據(jù)拷貝。與計(jì)量程序不同，管理程序的電能計(jì)量模塊是對(duì)計(jì)量程序得到計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在電能計(jì)量模塊中，按照智能電表的功能要求，根據(jù)有功電量和無功電量的方向，將秒輸出電量累加到正向或反向有功電量以及四象限無功電量中，再根據(jù)當(dāng)前時(shí)間、判斷費(fèi)率，將當(dāng)前電量增量累加到相應(yīng)的費(fèi)率電量數(shù)據(jù)中。需量計(jì)量是對(duì)需量周期內(nèi)的正反向有功功率、四象限無功功率以及組合有功功率、組合無功功率的最大值、平均值進(jìn)行記錄。需量計(jì)量采用滑差式，滑差時(shí)間為計(jì)算需量的時(shí)間周期。數(shù)據(jù)凍結(jié)模塊根據(jù)電表參數(shù)中的凍結(jié)時(shí)間，定時(shí)保存各項(xiàng)電量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)算是對(duì)結(jié)算周期內(nèi)的電量增量以及需量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在結(jié)算完成后，需量數(shù)據(jù)清零，結(jié)算周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)重新開始累加。結(jié)算數(shù)據(jù)是用電費(fèi)用管理的重要依據(jù)。通信程序模塊實(shí)現(xiàn)電表對(duì)外通信的應(yīng)答。

智能電表通信遵循國(guó)家電網(wǎng)公司DL/T 645—2007規(guī)約，可實(shí)現(xiàn)電智電表內(nèi)所有數(shù)據(jù)的抄讀和參數(shù)設(shè)置。LCD顯示模塊實(shí)現(xiàn)電表的數(shù)據(jù)顯示。智能電表顯示分為循環(huán)顯示和按鍵顯示，在沒有按鍵操作時(shí)，智能電表自動(dòng)循環(huán)顯示電表的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，當(dāng)有按鍵操作時(shí)，電表響應(yīng)用戶操作，顯示指定內(nèi)容。智能電表的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均可通過LCD顯示。事件記錄模塊記錄各類電網(wǎng)事件和電表事件。電網(wǎng)事件包含掉電、失壓、失流、缺相、斷相、電壓不平衡、電壓逆相序等各種電網(wǎng)狀態(tài)異常發(fā)生和恢復(fù)時(shí)間以及發(fā)生和恢復(fù)時(shí)的電表內(nèi)電量、電壓、電流等數(shù)據(jù)。電表事件包含開蓋、參數(shù)設(shè)置等電表操作發(fā)生和結(jié)束的時(shí)間及各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文在分析智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)智能電表發(fā)展的需求基礎(chǔ)上，根據(jù)智能電表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用SoC芯片

MK30N512VMD100設(shè)計(jì)了一種智能電表。相對(duì)基于獨(dú)立功能芯片設(shè)計(jì)的智能電表，本文所設(shè)計(jì)的智能電表由于主芯片MK30N512VMD100的高度集成性，在穩(wěn)定性、可靠性等性能方面表現(xiàn)更優(yōu)，PCB空間占用得到改善，元器件減少使得生產(chǎn)工藝得以簡(jiǎn)化，物料成本和生產(chǎn)成本都有所降低。

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