基于SOC技術(shù)的三相電力能效監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

黃月昊+岳鵬+朱程燕

摘 要 隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展，為了滿足國網(wǎng)公司對(duì)能效監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于SOC技術(shù)的三相電力能效監(jiān)測(cè)終端。它采用銳能微RN8316（SOC）為主控芯片，通過管腳資源配置，實(shí)現(xiàn)了電流電壓采樣計(jì)量、直流模擬量采樣、電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)、通信等功能。文中介紹了電力能效監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)，提供了完整的設(shè)計(jì)方案，該方案不僅能提高終端的穩(wěn)定性和可靠性，還能降低物料數(shù)量和生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞 能效監(jiān)測(cè)；SOC；RN8316

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0015-03

能源作為世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。但隨著人口的日益增加和能源的不斷消耗，能源匱乏問題日益突出。電力作為重要的能源形式，在終端能源消費(fèi)中所占比重不斷增大，因此，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)，不僅能在很大程度上化解資源、環(huán)境和投資壓力，而且還將帶來巨大的節(jié)電效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[1-2]。國內(nèi)外研究和實(shí)踐證明，通過實(shí)施需求側(cè)管理、用能服務(wù)及能效監(jiān)測(cè)，可以優(yōu)化終端用戶用電方式、緩解電力供需的矛盾和提高系統(tǒng)可靠性、減緩電網(wǎng)設(shè)施的投資壓力、提高耗能企業(yè)的能源利用水平、減少能源的消耗、提高能源利用率、緩解能源的供需矛盾[3]。

隨著微電子技術(shù)和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成，現(xiàn)在又發(fā)展到IP（Intellectual Property）的集成，即片上系統(tǒng)SOC（System-On-Chip）[4-6]。與單功能芯片相比，SOC芯片具有集成度高、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)。同時(shí)，可以有效地降低電子、信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[7]。

1 RN8316（SOC）簡介

圖1 RN8316系統(tǒng)框圖

RN8316是深圳銳能微公司提供的一款低功耗、高性能、寬電壓、高集成度、高精度的三相MCU芯片，產(chǎn)品系統(tǒng)框圖如圖1所示。該產(chǎn)品內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M0核，最高運(yùn)行頻率可達(dá)29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存儲(chǔ)器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，內(nèi)置單cycle乘法器（32bit*32bit）、CM0內(nèi)嵌系統(tǒng)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器，支持外部中斷等多種喚醒方式，提供完善的集成開發(fā)軟硬件環(huán)境。該芯片支持高速GPIO，可與不同電壓外設(shè)器件連接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片電源電壓及外部電壓檢測(cè)。通信接口最大支持6路UART，2個(gè)7816口，1路I2C和1路SPI。同時(shí)，RN8316還集成了RTC、看門狗和加密處理器。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電力能效監(jiān)測(cè)終端主要由電源模塊、計(jì)量單元、存儲(chǔ)單元、載波模塊、通信模塊、直流模擬量采集等部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電力能效監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)框圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

為保證終端能夠穩(wěn)定工作，并具有良好的電磁兼容特性，電源模塊采用三路電源供電，分別為主電源8 V、兩路12 V輔助電源，之間相互隔離。主電源VDD8V通過LDO降為VDD5V和VDD3.3V電源，主電源5 V為SOC、紅外、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊供電，主電源3.3V給計(jì)量芯片供電。一路ZB12V輔助電源用于載波電路供電；另一路AUX12V輔助電源為遙信電路供電，同時(shí)通過LDO降為AUX5V，為RS485、直流模擬量電路供電。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 采樣計(jì)量單元

采樣計(jì)量單元是電力能效監(jiān)測(cè)終端的重要單元，設(shè)計(jì)中采用銳能微公司的RN8302計(jì)量芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、諧波等數(shù)據(jù)的計(jì)量，并輸出有功、無功脈沖。RN8302占用SOC一路SPI，同時(shí)SOC配置中斷、復(fù)位口從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)量芯片的控制和通信。RN8302管腳資源配置如圖4所示。

圖4 RN8302管腳資源配置

采樣電路中，考慮到生產(chǎn)成本和計(jì)量精度，電壓采樣采用電阻分壓采樣的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN為采樣信號(hào)，而電流采樣采用電流互感器采樣的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN為采樣信號(hào)，電路圖分別如圖5和圖6所示，電壓采樣電路中的1K電阻和電流采樣電路中的5R電阻采用精度1%的精密電阻，電容用于去耦和濾波，以保障采樣精度。同時(shí)電壓采樣信號(hào)可用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)展電力能效監(jiān)測(cè)終端的功能配置。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

2.3 遙信電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端配置兩路遙信端口，使用光耦LVT-816同SOC進(jìn)行隔離。遙信電路原理圖如圖7所示。

圖7 遙信電路

2.4 RS485電路

在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于受到工程人員操作能力，經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，RS485的A、B端子常常接反，導(dǎo)致不能夠正常抄表。因此，在電力能效監(jiān)測(cè)終端RS485電路的設(shè)計(jì)中，采用了無極性485芯片ECH485NE，A、B端子正反接都能夠正常通信。終端配置兩路RS485電路，分別用于抄表和維護(hù)，占用SOC兩路UART端口，485芯片用光耦同SOC進(jìn)行隔離。RS485電路如圖8所示。

2.5 直流模擬量電路

直流模擬量電路主要針對(duì)非電氣量的采集，該能效終端采用瑞薩電子的RL78/G13系列單片機(jī)進(jìn)行控制，SOC通過一路UART端口進(jìn)行通信，并配置復(fù)位腳進(jìn)行控制。直流模擬量電路通過光耦同主電路進(jìn)行隔離，終端配置了兩路信號(hào)的采集，拓展了數(shù)據(jù)的采集范圍，實(shí)現(xiàn)了采集和能效監(jiān)測(cè)的多樣化。直流模擬量采集電路圖如圖9所示。

2.6 載波電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端的載波用于同能效采集服務(wù)器進(jìn)行通信，載波電路占用SOC一路UART端口用于收發(fā)數(shù)據(jù)，占用一路7816口實(shí)現(xiàn)載波的設(shè)置、復(fù)位、事件輸出等功能，并通過光耦同SOC進(jìn)行隔離，接口標(biāo)準(zhǔn)符合最新國網(wǎng)三相電表規(guī)范，可方便插拔和替換多個(gè)廠家的載波模塊，提升了產(chǎn)品的兼容性。載波電路如圖10所示。

3 結(jié)束語

本文在智能用電及能效管理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力能效監(jiān)測(cè)終端技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用SOC芯片RN8316，進(jìn)行了硬件的設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于獨(dú)立功能芯片的用電終端，基于SOC的電力能效監(jiān)測(cè)終端在功耗，穩(wěn)定性，可靠性等方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，并且體積小，所用元器件少，生產(chǎn)成本較低，具有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]余貽鑫.面向21世紀(jì)的智能配電網(wǎng)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006，2（6）：14-16.

[2]陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：1-7.

[3]虞斐，孔繁虹，梅生偉，許哲雄.智能電網(wǎng)下的新型能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].華東電力，2009（7）：1176-1178.

[4]周曉紅.新型智能電表的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（11）：119-120.

[5]中國化工儀器.我國儀器儀表行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國計(jì)量，2011（1）：78-81.

[6]靜恩波.智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010，47（7A）：36-39.

[7]趙定遠(yuǎn).SOC與嵌入式系統(tǒng)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（4）：305-308.

作者簡介

黃月昊（1986-），男，江蘇鹽城人，助理工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。

岳鵬（1984-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。endprint

摘 要 隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展，為了滿足國網(wǎng)公司對(duì)能效監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于SOC技術(shù)的三相電力能效監(jiān)測(cè)終端。它采用銳能微RN8316（SOC）為主控芯片，通過管腳資源配置，實(shí)現(xiàn)了電流電壓采樣計(jì)量、直流模擬量采樣、電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)、通信等功能。文中介紹了電力能效監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)，提供了完整的設(shè)計(jì)方案，該方案不僅能提高終端的穩(wěn)定性和可靠性，還能降低物料數(shù)量和生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞 能效監(jiān)測(cè)；SOC；RN8316

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0015-03

能源作為世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。但隨著人口的日益增加和能源的不斷消耗，能源匱乏問題日益突出。電力作為重要的能源形式，在終端能源消費(fèi)中所占比重不斷增大，因此，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)，不僅能在很大程度上化解資源、環(huán)境和投資壓力，而且還將帶來巨大的節(jié)電效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[1-2]。國內(nèi)外研究和實(shí)踐證明，通過實(shí)施需求側(cè)管理、用能服務(wù)及能效監(jiān)測(cè)，可以優(yōu)化終端用戶用電方式、緩解電力供需的矛盾和提高系統(tǒng)可靠性、減緩電網(wǎng)設(shè)施的投資壓力、提高耗能企業(yè)的能源利用水平、減少能源的消耗、提高能源利用率、緩解能源的供需矛盾[3]。

隨著微電子技術(shù)和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成，現(xiàn)在又發(fā)展到IP（Intellectual Property）的集成，即片上系統(tǒng)SOC（System-On-Chip）[4-6]。與單功能芯片相比，SOC芯片具有集成度高、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)。同時(shí)，可以有效地降低電子、信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[7]。

1 RN8316（SOC）簡介

圖1 RN8316系統(tǒng)框圖

RN8316是深圳銳能微公司提供的一款低功耗、高性能、寬電壓、高集成度、高精度的三相MCU芯片，產(chǎn)品系統(tǒng)框圖如圖1所示。該產(chǎn)品內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M0核，最高運(yùn)行頻率可達(dá)29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存儲(chǔ)器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，內(nèi)置單cycle乘法器（32bit*32bit）、CM0內(nèi)嵌系統(tǒng)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器，支持外部中斷等多種喚醒方式，提供完善的集成開發(fā)軟硬件環(huán)境。該芯片支持高速GPIO，可與不同電壓外設(shè)器件連接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片電源電壓及外部電壓檢測(cè)。通信接口最大支持6路UART，2個(gè)7816口，1路I2C和1路SPI。同時(shí)，RN8316還集成了RTC、看門狗和加密處理器。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電力能效監(jiān)測(cè)終端主要由電源模塊、計(jì)量單元、存儲(chǔ)單元、載波模塊、通信模塊、直流模擬量采集等部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電力能效監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)框圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

為保證終端能夠穩(wěn)定工作，并具有良好的電磁兼容特性，電源模塊采用三路電源供電，分別為主電源8 V、兩路12 V輔助電源，之間相互隔離。主電源VDD8V通過LDO降為VDD5V和VDD3.3V電源，主電源5 V為SOC、紅外、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊供電，主電源3.3V給計(jì)量芯片供電。一路ZB12V輔助電源用于載波電路供電；另一路AUX12V輔助電源為遙信電路供電，同時(shí)通過LDO降為AUX5V，為RS485、直流模擬量電路供電。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 采樣計(jì)量單元

采樣計(jì)量單元是電力能效監(jiān)測(cè)終端的重要單元，設(shè)計(jì)中采用銳能微公司的RN8302計(jì)量芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、諧波等數(shù)據(jù)的計(jì)量，并輸出有功、無功脈沖。RN8302占用SOC一路SPI，同時(shí)SOC配置中斷、復(fù)位口從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)量芯片的控制和通信。RN8302管腳資源配置如圖4所示。

圖4 RN8302管腳資源配置

采樣電路中，考慮到生產(chǎn)成本和計(jì)量精度，電壓采樣采用電阻分壓采樣的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN為采樣信號(hào)，而電流采樣采用電流互感器采樣的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN為采樣信號(hào)，電路圖分別如圖5和圖6所示，電壓采樣電路中的1K電阻和電流采樣電路中的5R電阻采用精度1%的精密電阻，電容用于去耦和濾波，以保障采樣精度。同時(shí)電壓采樣信號(hào)可用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)展電力能效監(jiān)測(cè)終端的功能配置。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

2.3 遙信電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端配置兩路遙信端口，使用光耦LVT-816同SOC進(jìn)行隔離。遙信電路原理圖如圖7所示。

圖7 遙信電路

2.4 RS485電路

在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于受到工程人員操作能力，經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，RS485的A、B端子常常接反，導(dǎo)致不能夠正常抄表。因此，在電力能效監(jiān)測(cè)終端RS485電路的設(shè)計(jì)中，采用了無極性485芯片ECH485NE，A、B端子正反接都能夠正常通信。終端配置兩路RS485電路，分別用于抄表和維護(hù)，占用SOC兩路UART端口，485芯片用光耦同SOC進(jìn)行隔離。RS485電路如圖8所示。

2.5 直流模擬量電路

直流模擬量電路主要針對(duì)非電氣量的采集，該能效終端采用瑞薩電子的RL78/G13系列單片機(jī)進(jìn)行控制，SOC通過一路UART端口進(jìn)行通信，并配置復(fù)位腳進(jìn)行控制。直流模擬量電路通過光耦同主電路進(jìn)行隔離，終端配置了兩路信號(hào)的采集，拓展了數(shù)據(jù)的采集范圍，實(shí)現(xiàn)了采集和能效監(jiān)測(cè)的多樣化。直流模擬量采集電路圖如圖9所示。

2.6 載波電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端的載波用于同能效采集服務(wù)器進(jìn)行通信，載波電路占用SOC一路UART端口用于收發(fā)數(shù)據(jù)，占用一路7816口實(shí)現(xiàn)載波的設(shè)置、復(fù)位、事件輸出等功能，并通過光耦同SOC進(jìn)行隔離，接口標(biāo)準(zhǔn)符合最新國網(wǎng)三相電表規(guī)范，可方便插拔和替換多個(gè)廠家的載波模塊，提升了產(chǎn)品的兼容性。載波電路如圖10所示。

3 結(jié)束語

本文在智能用電及能效管理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力能效監(jiān)測(cè)終端技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用SOC芯片RN8316，進(jìn)行了硬件的設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于獨(dú)立功能芯片的用電終端，基于SOC的電力能效監(jiān)測(cè)終端在功耗，穩(wěn)定性，可靠性等方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，并且體積小，所用元器件少，生產(chǎn)成本較低，具有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]余貽鑫.面向21世紀(jì)的智能配電網(wǎng)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006，2（6）：14-16.

[2]陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：1-7.

[3]虞斐，孔繁虹，梅生偉，許哲雄.智能電網(wǎng)下的新型能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].華東電力，2009（7）：1176-1178.

[4]周曉紅.新型智能電表的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（11）：119-120.

[5]中國化工儀器.我國儀器儀表行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國計(jì)量，2011（1）：78-81.

[6]靜恩波.智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010，47（7A）：36-39.

[7]趙定遠(yuǎn).SOC與嵌入式系統(tǒng)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（4）：305-308.

作者簡介

黃月昊（1986-），男，江蘇鹽城人，助理工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。

岳鵬（1984-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。endprint

摘 要 隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展，為了滿足國網(wǎng)公司對(duì)能效監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于SOC技術(shù)的三相電力能效監(jiān)測(cè)終端。它采用銳能微RN8316（SOC）為主控芯片，通過管腳資源配置，實(shí)現(xiàn)了電流電壓采樣計(jì)量、直流模擬量采樣、電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)、通信等功能。文中介紹了電力能效監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)，提供了完整的設(shè)計(jì)方案，該方案不僅能提高終端的穩(wěn)定性和可靠性，還能降低物料數(shù)量和生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞 能效監(jiān)測(cè)；SOC；RN8316

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0015-03

能源作為世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。但隨著人口的日益增加和能源的不斷消耗，能源匱乏問題日益突出。電力作為重要的能源形式，在終端能源消費(fèi)中所占比重不斷增大，因此，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)，不僅能在很大程度上化解資源、環(huán)境和投資壓力，而且還將帶來巨大的節(jié)電效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[1-2]。國內(nèi)外研究和實(shí)踐證明，通過實(shí)施需求側(cè)管理、用能服務(wù)及能效監(jiān)測(cè)，可以優(yōu)化終端用戶用電方式、緩解電力供需的矛盾和提高系統(tǒng)可靠性、減緩電網(wǎng)設(shè)施的投資壓力、提高耗能企業(yè)的能源利用水平、減少能源的消耗、提高能源利用率、緩解能源的供需矛盾[3]。

隨著微電子技術(shù)和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成，現(xiàn)在又發(fā)展到IP（Intellectual Property）的集成，即片上系統(tǒng)SOC（System-On-Chip）[4-6]。與單功能芯片相比，SOC芯片具有集成度高、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)。同時(shí)，可以有效地降低電子、信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[7]。

1 RN8316（SOC）簡介

圖1 RN8316系統(tǒng)框圖

RN8316是深圳銳能微公司提供的一款低功耗、高性能、寬電壓、高集成度、高精度的三相MCU芯片，產(chǎn)品系統(tǒng)框圖如圖1所示。該產(chǎn)品內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M0核，最高運(yùn)行頻率可達(dá)29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存儲(chǔ)器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，內(nèi)置單cycle乘法器（32bit*32bit）、CM0內(nèi)嵌系統(tǒng)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器，支持外部中斷等多種喚醒方式，提供完善的集成開發(fā)軟硬件環(huán)境。該芯片支持高速GPIO，可與不同電壓外設(shè)器件連接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片電源電壓及外部電壓檢測(cè)。通信接口最大支持6路UART，2個(gè)7816口，1路I2C和1路SPI。同時(shí)，RN8316還集成了RTC、看門狗和加密處理器。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電力能效監(jiān)測(cè)終端主要由電源模塊、計(jì)量單元、存儲(chǔ)單元、載波模塊、通信模塊、直流模擬量采集等部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電力能效監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)框圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

為保證終端能夠穩(wěn)定工作，并具有良好的電磁兼容特性，電源模塊采用三路電源供電，分別為主電源8 V、兩路12 V輔助電源，之間相互隔離。主電源VDD8V通過LDO降為VDD5V和VDD3.3V電源，主電源5 V為SOC、紅外、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊供電，主電源3.3V給計(jì)量芯片供電。一路ZB12V輔助電源用于載波電路供電；另一路AUX12V輔助電源為遙信電路供電，同時(shí)通過LDO降為AUX5V，為RS485、直流模擬量電路供電。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 采樣計(jì)量單元

采樣計(jì)量單元是電力能效監(jiān)測(cè)終端的重要單元，設(shè)計(jì)中采用銳能微公司的RN8302計(jì)量芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、諧波等數(shù)據(jù)的計(jì)量，并輸出有功、無功脈沖。RN8302占用SOC一路SPI，同時(shí)SOC配置中斷、復(fù)位口從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)量芯片的控制和通信。RN8302管腳資源配置如圖4所示。

圖4 RN8302管腳資源配置

采樣電路中，考慮到生產(chǎn)成本和計(jì)量精度，電壓采樣采用電阻分壓采樣的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN為采樣信號(hào)，而電流采樣采用電流互感器采樣的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN為采樣信號(hào)，電路圖分別如圖5和圖6所示，電壓采樣電路中的1K電阻和電流采樣電路中的5R電阻采用精度1%的精密電阻，電容用于去耦和濾波，以保障采樣精度。同時(shí)電壓采樣信號(hào)可用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，擴(kuò)展電力能效監(jiān)測(cè)終端的功能配置。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

2.3 遙信電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端配置兩路遙信端口，使用光耦LVT-816同SOC進(jìn)行隔離。遙信電路原理圖如圖7所示。

圖7 遙信電路

2.4 RS485電路

在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于受到工程人員操作能力，經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，RS485的A、B端子常常接反，導(dǎo)致不能夠正常抄表。因此，在電力能效監(jiān)測(cè)終端RS485電路的設(shè)計(jì)中，采用了無極性485芯片ECH485NE，A、B端子正反接都能夠正常通信。終端配置兩路RS485電路，分別用于抄表和維護(hù)，占用SOC兩路UART端口，485芯片用光耦同SOC進(jìn)行隔離。RS485電路如圖8所示。

2.5 直流模擬量電路

直流模擬量電路主要針對(duì)非電氣量的采集，該能效終端采用瑞薩電子的RL78/G13系列單片機(jī)進(jìn)行控制，SOC通過一路UART端口進(jìn)行通信，并配置復(fù)位腳進(jìn)行控制。直流模擬量電路通過光耦同主電路進(jìn)行隔離，終端配置了兩路信號(hào)的采集，拓展了數(shù)據(jù)的采集范圍，實(shí)現(xiàn)了采集和能效監(jiān)測(cè)的多樣化。直流模擬量采集電路圖如圖9所示。

2.6 載波電路

電力能效監(jiān)測(cè)終端的載波用于同能效采集服務(wù)器進(jìn)行通信，載波電路占用SOC一路UART端口用于收發(fā)數(shù)據(jù)，占用一路7816口實(shí)現(xiàn)載波的設(shè)置、復(fù)位、事件輸出等功能，并通過光耦同SOC進(jìn)行隔離，接口標(biāo)準(zhǔn)符合最新國網(wǎng)三相電表規(guī)范，可方便插拔和替換多個(gè)廠家的載波模塊，提升了產(chǎn)品的兼容性。載波電路如圖10所示。

3 結(jié)束語

本文在智能用電及能效管理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力能效監(jiān)測(cè)終端技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用SOC芯片RN8316，進(jìn)行了硬件的設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于獨(dú)立功能芯片的用電終端，基于SOC的電力能效監(jiān)測(cè)終端在功耗，穩(wěn)定性，可靠性等方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，并且體積小，所用元器件少，生產(chǎn)成本較低，具有良好的市場(chǎng)前景。

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作者簡介

黃月昊（1986-），男，江蘇鹽城人，助理工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。

岳鵬（1984-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，碩士，任職于國電南瑞科技股份有限公司，從事智能用電技術(shù)方向。endprint