如IIC、SPI、USART、CAN、USB等

作者:幸运3D 发布时间:2021-02-02 09:57

  电能表作为电能计量的基本设备,受到国家电力部门的长期重视,电能表生产企业更是不遗余力地寻求设计与开发性能俱佳且成本更低的解决方案。目前国内的电能表设计已经走过了由8位MCU向通用DSP甚至专用DSP的变革,通用DSP的应用方案的劣势在于DSP的专业应用和嵌入程度不够深的问题,成本偏高;而专用 DSP功能相对固定,这样给电能表设计和生产厂家带来功能差异化空间不足的困难。基于ARM的方案也已经出现,但是适合应用的ARM7 TDMI在性能上不尽人意,同时外设资源不足;而更高端的ARM9系统的复杂程度很高,成本也较高。选择一颗合适且低成本的微处理器日益成为电能表行业的关键所在,直到意法半导体公司(STMicroelectronic公司,下称ST)STM32的出现为电能表设计的专门化和定制化带来了崭新的机遇和空间。

  2005年ARM公司发布其最新一代ARM v7内核,命名为Cortex,同ARM7/9/10/11相比在架构上有了革命性突破,性能上更是本质的飞越,Cortex系列包含三个系列,-A/-R/-M。Cortex-M3特别针对功耗和价格敏感的嵌入应用领域,同时具备高性能,它采用高效的哈佛结构三级流水线DMIPS/MHz,在功耗上更是达到0.06mW /MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集,自动16/32位混合排列,具有很高的代码密度。单周期的32位乘法以及硬件除法器,保证 Cortex-M3的运算能力有大幅提高,在一些对计算能力要求相对较低而嵌入式要求相对较高的场合,STM32就具有取代传统DSP的潜力甚至优势。 Cortex-M3包含嵌套向量中断控制器NVIC,中断响应速度最快仅6周期,内部集成总线矩阵,支持DMA操作及位映射。

  STM32是ST公司在业界最先推出的基于ARMCortex-M3内核产品,继承了Cortex-M3内核的优良血统,同时增加了ST高性能的外设资源,FLASH、SRAM存储器,丰富的串行通信接口,如IIC、SPI、USART、CAN、USB等,以及12位的ADC和DAC模块,支持外部存储器访问的灵活的静态存储器控制器FSMC。

  在实际应用中,电力信号通过互感器采集到电能表中,通过一个6通道16位模拟前端处理器(AD73360)进行A/D转换,转换成数字信号并传输到STM32中。AD73360是6通道同步采样的-ADC器件,它内置了基本型电压基准及通道内置独立的PGA(可编程增益放大器),非常适合三相电流电压信号的同步采样,在小信号的时候,通过调整通道PGA可以获得合适的动态范围从而保证微弱信号的计量精度。电能表数据采集框图示于图2。

  电压电流输入信号首先需要RC滤波网络滤波和数据采样,然后进行A/D转换。AD73360有独立的时钟源,可配置为自动数据采集与发送模式,通过SPI总线不断的将数据传向STM32。STM32内的Cortex-M3内核对输入的数字信号进行处理,完成数字滤波,过零点检测,得到基本的电流电压数据,经过时间积分计算和转换得到相应的电能计量。

  由于被采样信号为高电压信号和大电流信号,我们需要对被采样信号做高保真转换为双极性的电压信号以便用AD电路离散化处理,而AD73360是单电源供电模拟前端,所以我们需要令输入信号位于AD73360的动态范围的正中。采用的方法是:定义ADC工作电压为5伏(动态范围0~5V),选择参考电压2.5伏,将AD差分输入的负端直接接到参考电压输入,差分输入的正端接被测信号。具体电路如图3。

  在实际电路中,相电流信号经CT变换为低电压信号,相电压则通过高精度电阻网络分压得到线性的低电压信号,信号幅度范围需保证在5V之内。

  由STM32的GPIO控制AD73360的SE和RESET,并用一个外部中断输入脚来监听帧同步信号,这样才可以用程序来保证数据帧内容的字节对应关系。

  在STM32的硬件设置程序中,需要关闭SPI的所有中断,设置SPI为从模式,并选取一个DMA通道与之协同工作,自动将SPI从模式收到的数据保存在指定的内存地址。为了令AD73360正确采集数据,还必须根据使用要求配置AD73360的内部寄存器,令AD73360处于数据模式并主动向STM32发送采样数据。

  AD73360是固定周期采集,我们使用的是150Hz或160Hz,即每周期采集150/160点,为此AD73360采用的时钟是 6.000MHz或16.384MHz,系统中对AD73360的配置为DMCLK分频因子为2048。AD73360是差分采集,很方便进行过零点检测和直流分量调节,以保证信号幅度对称,从而减小系统误差。

  式中:U-电压有效值,n-每周期采样点数, uk 电压采样值

  式中: P-单元件有功功率,n-每周期采样点数, uk-元件上电压采样值, ik-元件上电流采样值

  式中:Q-单元件无功功率,n-每周期采样点数, uk-元件上电压采样值, ik-元件上电流采样值(90度移相后)

  电信号采集过程中可能存在的电磁元件(CT或PT)会造成采集信号和实际信号之间的相位失真以及线性失真。为了补偿和修正这些失真带来的误差,还需要使用分段矫正和补偿的方法。例如,根据CT(PT)的相移曲线选择合适的两个点将整个量程分为三段,在测量值分处不同的段时,分别调用不同的相移参数对测量值进行相位补偿。

  除了测量计量功能外,电能表还需要实现通讯,存储以及时间管理功能,具体的程序和做法在此不再赘述,但为了实现完整的电能表功能,其周边器件的选择却很关键。

  实时时钟电路:Intersil的ISL12022M是内置时钟晶体的高可靠性全自动温度补偿RTC芯片。该RTC依靠工厂预校准,和全工业级温度范围的自动温补来保障电子产品全生命周期的计时精度,免除了电表的时钟校准的工艺过程,降低了生产成本。该RTC还具有电池状态监测、上电/掉电时间戳记录功能和内置数字温度传感器功能,更可以用在除电表外的综合电力终端设备中。


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