基于Cortex- M0＋的四通道多功能智能電表設(shè)計(jì)※＊

錢益輝，孫超杰，楊賽女，裘君

（浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 信息學(xué)院，寧波315100）

引 言

電力公司在長(zhǎng)期的供電服務(wù)中發(fā)現(xiàn)，部分企業(yè)電能利用效率低、企業(yè)成本過(guò)高。事實(shí)上只要適當(dāng)調(diào)整用電方式，就能降低經(jīng)營(yíng)成本，提高終端用電效率，同時(shí)也能優(yōu)化電力資源配置，促進(jìn)社會(huì)節(jié)能減排。為此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)面向企業(yè)、樓宇的智能電能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Cortex-M0＋芯片設(shè)計(jì)電表控制主板，通過(guò)高精度電能質(zhì)量分析芯片ICADE7858實(shí)現(xiàn)三相電能信息采集和分析，實(shí)現(xiàn)了4路三相電源的電能信息采集與存儲(chǔ)，并設(shè)計(jì)了無(wú)線藍(lán)牙、RS485等接口。實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)采集模塊與PC機(jī)或手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)PC上位機(jī)軟件和手機(jī)APP軟件，向用戶提供各類實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)。

1 組成與設(shè)計(jì)原理

基于Cortex-M0＋的智能電能檢測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 智能電表功能框圖

圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，考慮到企業(yè)、樓宇對(duì)于電能信息采集的應(yīng)用需求，通常包含多路三相電路，所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)包含4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。其中，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用電能質(zhì)量分析芯片ICADE7858設(shè)計(jì)而成，并通過(guò)SPI總線與采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采集節(jié)點(diǎn)采用ARM Cortex-M0＋內(nèi)核的MKL25Z128VLK4實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的集中采集、處理以及傳輸，通過(guò)RS485和無(wú)線藍(lán)牙串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

圖2 基于Cortex-M0＋的智能電表結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)初始化后，檢測(cè)4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的完好性并反饋信息，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)各路電壓電流的數(shù)值和相位，并且經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)算，得出三相有功/無(wú)功/視在功率，MCU通過(guò)高速數(shù)字隔離器芯片實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)通過(guò)RS485和無(wú)線藍(lán)牙將采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)顯示數(shù)值并保存數(shù)據(jù)和打印結(jié)果。

所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品電壓/電流采樣精度為0.2%，有功和無(wú)功功率誤差小于0.5%，相位角測(cè)量誤差小于0.3°。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

MKL25Z128VLK4是基于ARM Cortex-M0＋的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。工作電壓為1.71～3.6 V，工作頻率為48 MHz，外設(shè)包括16 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、128 KB程序存儲(chǔ)器、高速12/16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)8位的SPI模塊、2個(gè)I2C模塊、1個(gè)低功率UART和2個(gè)UART模塊、以及1個(gè)內(nèi)部看門狗監(jiān)控，具有強(qiáng)大的定時(shí)模塊，支持通用/PWM/電機(jī)控制功能等。

飛思卡爾Kinetis系列MCU，其功耗模式最多可達(dá)11種之多，可滿足客戶對(duì)微控制器各種低功耗的配置要求，同時(shí)支持多種喚醒方式，方便客戶使用。

2.2 電源模塊

設(shè)計(jì)的智能電能檢測(cè)系統(tǒng)電源為220 V交流輸入，先通過(guò)高性能穩(wěn)壓模塊，將交流220 V轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V及5 V電壓輸出，考慮到采集對(duì)于電壓的穩(wěn)壓需求，通過(guò)線性穩(wěn)壓器NCP1117實(shí)現(xiàn)5 V和3.3 V穩(wěn)壓電壓的輸出。電源模塊電路圖略——編者注。

2.3 三相多功能電能計(jì)量IC

三相多功能電能計(jì)量IC ADE7858芯片是一款高精度、三相電能測(cè)量IC，采用串行接口，并內(nèi)置二階Σ-Δ型ADC、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路以及所有必須的信號(hào)處理電路，內(nèi)部具有一個(gè)固定功能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），可以對(duì)總有功、無(wú)功和視在功率測(cè)量以及有效值進(jìn)行計(jì)算，該芯片適合測(cè)量各種三線、四線的三相配置有功、無(wú)功和視在功率，各相均具有有效值失調(diào)校正、相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)等系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。

ADE7858具有6個(gè)模擬輸入，構(gòu)成電流和電壓通道。根據(jù)系統(tǒng)需要，6個(gè)模擬通道分別為3路模擬電流信號(hào)和3路模擬電壓信號(hào)。其中三對(duì)電流通道采用全差分輸入方式，分別為IAP和IAN、IBP 和IBN、ICP和ICN。通過(guò)霍爾電流傳感器CT將采集到的感應(yīng)電勢(shì)VH傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)通道中，電流采集電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

3個(gè)電壓通道采用單端電壓輸入方式：VAP、VBP和VCP。通道電壓通過(guò)電阻分壓方式，將單端輸入端電壓相對(duì)于VN的最大輸入電壓為±0.5 V。電壓分壓采集電路如圖4所示。

圖4 電壓分壓采集電路

多功能電量芯片的A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓采用1.2 V超低功耗、高PSRR基準(zhǔn)電壓源ADR280芯片實(shí)現(xiàn)，并輸入到電量芯片中。每塊芯片外接16.384 MHz晶振，通過(guò)SPI總線和數(shù)據(jù)采集芯片進(jìn)行通信，電量采集芯片外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4 數(shù)字隔離模塊

圖5 電量芯片電路設(shè)計(jì)

電量信息采集電路中，各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)均由三相電壓直接接入，為了保護(hù)220 V高壓不侵入到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中，采用ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器ADu M1411，該芯片可以將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征，可以實(shí)現(xiàn)雙向通信和最高達(dá)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，系統(tǒng)將片選信號(hào)、SPI數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)字隔離，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電路信號(hào)和模擬電路信號(hào)的相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用，保證了檢測(cè)檢點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。數(shù)字隔離電路如圖6所示。

圖6 數(shù)字隔離模塊電路圖

2.5 通信模塊

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485和無(wú)線藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，通信遵循簡(jiǎn)單的MODBUS RTU協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的增益寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。通過(guò)SP485E芯片，把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RS485數(shù)據(jù)，其電路如圖7所示。

由于KL25Z系列單片機(jī)沒(méi)有片上藍(lán)牙控制器，因此選用了TI CC2540藍(lán)牙模塊，該模塊基于2.4 GHz頻段，板載天線，微安級(jí)工作電流，遵循藍(lán)牙V4.0版本規(guī)范，可以直接和蘋果、安卓、PC等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為實(shí)現(xiàn)無(wú)線上位機(jī)監(jiān)控和無(wú)線抄表提供了支持。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。

圖7 RS485通信接口電路

圖8 無(wú)線藍(lán)牙接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)在接收到上位機(jī)或手機(jī)APP發(fā)出的采集信息指令后，給對(duì)應(yīng)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送指令，得到回復(fù)后把收到的各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示。如果某個(gè)地址沒(méi)有回復(fù)，就上傳該地址為空的信息。采集節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的連接是用RS485接口和藍(lán)牙把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。采集節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖9所示。

主程序首先實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)（如定時(shí)器、串口、中斷系統(tǒng)等）的初始化，并接收來(lái)自上位機(jī)的命令。如果判斷出不是采集命令（如數(shù)據(jù)查詢），則響應(yīng)相應(yīng)的指令，若判斷出是數(shù)據(jù)采集命令，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)?；若判斷出上位機(jī)沒(méi)有發(fā)出相應(yīng)命令，則系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)狀態(tài)的自檢和狀態(tài)指示功能放在定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件分成PC平臺(tái)和智能手機(jī)客戶端兩部分，其中PC平臺(tái)軟件用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電表的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)功能，通過(guò)引入數(shù)據(jù)庫(kù)，將智能電表采集數(shù)據(jù)加入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為下一步的數(shù)據(jù)判斷和分析提供處理依據(jù)。智能手機(jī)客戶端通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信，可以實(shí)現(xiàn)工作人員的現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)診斷以及服務(wù)器數(shù)據(jù)查詢功能，實(shí)現(xiàn)智能電表信息的自動(dòng)采集和網(wǎng)絡(luò)化。

圖9 主程序流程圖

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)使用Cortex-M0＋內(nèi)核的32位微控制器MKL25Z128VLK4，同時(shí)采用高精度電能計(jì)量IC ADE7858芯片，滿足了電能質(zhì)量采集的高精度工作要求，所設(shè)計(jì)的RS485和無(wú)線藍(lán)牙串口通信方式，使系統(tǒng)可以滿足數(shù)據(jù)通信要求。

在實(shí)際測(cè)試中，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實(shí)際系統(tǒng)電壓電流采集精度達(dá)到0.2%以下，通過(guò)PC/手機(jī)上位機(jī)獲得采樣數(shù)據(jù)，可以方便進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)具有安裝使用方便、開(kāi)發(fā)成本低、低功耗等特點(diǎn)，非常適合工業(yè)或企業(yè)對(duì)用電的采集分析管理，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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