基于Kinetis微控制器的三相電表設(shè)計(jì)

飛思卡爾半導(dǎo)體MCU應(yīng)用方案部 施長(zhǎng)浩

1 概 述

飛思卡爾三相電表方案按照中國(guó)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.322-2008/IEC 62053-22：2003設(shè)計(jì)。方案采用飛思卡爾最新的基于ARM Cortex-M0＋ 內(nèi)核的44引腳Kinetis M系列的KM14作為計(jì)量芯片，其基于ARM Cortex-M0＋內(nèi)核100引腳的Kinetis L系列的KL36作為系統(tǒng)芯片。該方案可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)流程，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及成本，縮短研發(fā)時(shí)間，確?？蛻粼诖嘶A(chǔ)上開(kāi)發(fā)出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要由主控部分、液晶顯示模塊、電壓電流采樣模塊、參數(shù)測(cè)量模塊、電源模塊、通信模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)以飛思卡爾KL36為控制核心，配合高精度、低成本、低功耗計(jì)量芯片KM14完成電量參數(shù)的測(cè)量。

2.2 系統(tǒng)描述

計(jì)量芯片KM14基于ARM Cortex-M0＋內(nèi)核，主頻可達(dá)50 MHz，可以用來(lái)做諧波分析和計(jì)量。其SPI可以與后端主MCU KL36進(jìn)行通信。有4路獨(dú)立的24位Σ-Δ ADC，含有兩個(gè)可編程增益放大器，能夠滿足高精度計(jì)量。該設(shè)計(jì)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)三相計(jì)量，是因?yàn)椴坏?路獨(dú)立的24位Σ-ΔADC，還有16位SAR ADC，兩者進(jìn)行相位補(bǔ)償算法以后，就可以滿足三相電表規(guī)范的要求。

4個(gè)UART接口可以滿足國(guó)家電網(wǎng)載波485、紅外和PLC的相關(guān)要求。該設(shè)計(jì)不但可以滿足國(guó)家電網(wǎng)的計(jì)量規(guī)范，也可以滿足國(guó)外IEC 62053-22和IEC 62053-23等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。低功耗模式，全速情況下可以實(shí)現(xiàn)97μA/MHz，對(duì)于停電等情況可以得到很好的支持。

電力計(jì)量市場(chǎng)對(duì)于ESD和EMC性能要求很高，計(jì)量芯片KM14可以達(dá)到15 k V的ESD和6 k V的EFT。在整表級(jí)，該設(shè)計(jì)可以做到15 k V的ESD特性。在一些機(jī)構(gòu)（如電科院）的測(cè)試中，該設(shè)計(jì)能夠順利通過(guò)電力特性、計(jì)量精度和RTC的測(cè)試要求。

2.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

根據(jù)以上的描述，該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

電壓輸入范圍為3×220～380 V；電流輸入范圍為5～60 A；0.5S有用功計(jì)量精度；2S無(wú)用功計(jì)量精度；2～31次諧波分量；±15 k V ESD；±6 k V EFT；電網(wǎng)頻率檢測(cè)；5 ppm精度RTC；2路隔離RS-485輸出；8×32段碼式LCD輸出；3路隔離式電脈沖輸出；3路光脈沖輸出；多種防篡改保護(hù)；多種外部存儲(chǔ)器。

3 系統(tǒng)功能

3.1 功能概述

電表主要功能分為測(cè)量、處理和顯示三大部分。三相電壓、電流信號(hào)經(jīng)電能表采樣電路和計(jì)量芯片變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后，傳送給主控制器，并通過(guò)程序處理求出各相電壓、電流、功率、電量、需量、功率因素等參數(shù)，同時(shí)識(shí)別各相電壓、電流有無(wú)異常并記錄相應(yīng)的失壓、失流狀態(tài)。

3.2 功能模塊

3.2.1 計(jì)量單元

本設(shè)計(jì)采用了Kinetis M系列MCU KM14作為計(jì)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(jì)，以及其他高精度測(cè)量應(yīng)用。Kinetis M系列MCU包括一個(gè)由多個(gè)24位Σ-ΔADC組成的強(qiáng)大的模擬前端、多個(gè)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(gè)相移補(bǔ)償器。高精度的內(nèi)部參考源和可編程增益放大器可以滿足全溫度范圍內(nèi)的一切計(jì)量。豐富的安全特性，包括存儲(chǔ)器保護(hù)單元、外部篡改檢測(cè)引腳、帶篡改檢測(cè)的iRTC和隨機(jī)數(shù)生成器，在MCU內(nèi)部以及MCU與電網(wǎng)間提供供應(yīng)商/用戶數(shù)據(jù)保護(hù)功能。一個(gè)低功率段式LCD控制器，支持多達(dá)288段和8塊背板。

KM14最大的特點(diǎn)是在滿足基本三相電表功能的基礎(chǔ)之上附帶了5 ppm的RTC，其可以進(jìn)行自動(dòng)溫補(bǔ)和精確校準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)另一個(gè)特點(diǎn)是高精度的計(jì)量，可以進(jìn)行諧波分析，包括每一個(gè)諧波分量的計(jì)算。內(nèi)嵌的32×32乘法器，可以很好地支持諧波計(jì)量算法和復(fù)雜電能參數(shù)的計(jì)量。整個(gè)設(shè)計(jì)能夠完全滿足國(guó)家電表最高等級(jí)電表的要求。

該電表的計(jì)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(chǔ)器（TFS）Flash工藝以及外設(shè)的低功耗設(shè)計(jì)。除了低功耗，該設(shè)計(jì)有加密和安全模塊，符合AES、ECC和RSA的認(rèn)證。

3.2.2 主控單元

電表的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時(shí)間計(jì)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(jì)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(kuò)展性于一身。有了Kinetis L系列，設(shè)計(jì)者不再因限制功耗的問(wèn)題而拘泥于8位和16位MCU。該系列具有優(yōu)化的動(dòng)態(tài)和停止電流并提供出色的處理性能，而且還提供多種片上閃存密度以及豐富的模擬模塊、連接功能和HMI外設(shè)。

Kinetis KL3x MCU系列增加了一個(gè)靈活的低功耗段式LCD控制器，可支持376個(gè)段。Kinetis KL3x系列還兼容Kinetis K30（ARM Cortex-M4內(nèi)核）系列，為遷移到更高性能和實(shí)現(xiàn)功能集成提供了解決之道。器件涵蓋了從采用64 LQFP封裝并配備64 KB閃存的型號(hào)，到采用100 LQFP/121 MAPBGA封裝并配備256 KB閃存的型號(hào)，結(jié)合了超低功耗性能，包含一套豐富的模擬、通信、定時(shí)和控制外設(shè)。這些特性使Kinetis KL3x系列非常適用于需要顯示功能的應(yīng)用，如恒溫器、流量計(jì)和智能電表。

此外，在該設(shè)計(jì)中KL36 MCU和片上硬件RTC一起只需要一個(gè)外置的32 k Hz晶振就可以驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了外部元器件。

4 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)并不是從零開(kāi)始，可以采用飛思卡爾的應(yīng)用架構(gòu)、基于濾波器的計(jì)量算法（如希爾波特濾波器）和FFT計(jì)量算法。其中，基于FFT的諧波分析算法在64點(diǎn)的FFT時(shí)，可以支持32次諧波。飛思卡爾提供的算法庫(kù)用來(lái)幫助精確計(jì)算有功、無(wú)功、總功率等。

本設(shè)計(jì)用到的其他軟件庫(kù)如下：

①ZCD：零交叉檢測(cè)，用于計(jì)算電源線頻率。

②ADC采樣：AFE（SD ADC）用于采樣電流，SAR ADC用于采樣電壓，補(bǔ)償技術(shù)可確保電壓和電流同時(shí)采樣。

③RTC補(bǔ)償庫(kù)：RTC輸出精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)均達(dá)到±5 ppm。

④計(jì)量表與控制MCU之間的SPI：按下按鈕之類的信息，KM14通知KL36電能信息，KL36可能反饋有用信息。

⑤段式LCD顯示：顯示有功功率和無(wú)功功率值。

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(shí)現(xiàn)用電管理現(xiàn)代化而設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)有兩路隔離RS-485輸出。RS-485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，-6～-2 V表示“0”，＋2～＋6 V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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。在使用RS-485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線路，從RS-485接口到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢?，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)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(shí)，RS-485的最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)1 200 m。

6 仿真實(shí)驗(yàn)

該設(shè)計(jì)的目的就是在保持低功耗的同時(shí)達(dá)到高精度，仿真測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有優(yōu)良的測(cè)量精度，并且保持低功耗，如圖1所示。

圖1 測(cè)量仿真圖

最終產(chǎn)品如圖2所示，體積緊湊，符合國(guó)際要求。

圖2 三相電表實(shí)物圖

7 適用范圍

智能三相電表是實(shí)施智能電網(wǎng)的重要組成部分，該三相電表可以用于家庭和商業(yè)計(jì)量應(yīng)用，其可以測(cè)量有功能量、無(wú)功能量和視在能量，并具有閃存升級(jí)、數(shù)據(jù)連接和安全功能（包括篡改檢測(cè)）。