基于STPM01的防竊電電能表設(shè)計(jì)

    不論在發(fā)達(dá)國(guó)家還是在發(fā)展中國(guó)家，竊電都是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，每年都給供電企業(yè)造成巨大損失?，F(xiàn)在的防竊電方法多是從管理上采取措施，用這些方法即使查出了竊電行為，也往往由于缺乏依據(jù)而無(wú)法確定處罰額，甚至有時(shí)供電企業(yè)面臨無(wú)法拿出竊電證據(jù)的尷尬。只有提高電能表本身的防竊電技術(shù)，才能從根本上杜絕竊電發(fā)生。由于竊電方法千變?nèi)f化，防竊電電表設(shè)計(jì)一直是電表工程師面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，數(shù)字式電表的發(fā)展為解決竊電問(wèn)題提供了新途徑。本文介紹的單相數(shù)字式防竊電電能表采用了計(jì)量芯片STPM01和微控制器P89LPC9401，可以有效防止多種竊電行為。

STPM01計(jì)量芯片簡(jiǎn)介

    STPM01是ST公司推出的第一款電能計(jì)量專(zhuān)用芯片，有一個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道，可以測(cè)量有功電能、無(wú)功電能、視在電能、電網(wǎng)頻率、電壓有效值和瞬時(shí)值以及電流有效值和瞬時(shí)值。其電流傳感器可以選用ROGOWSKI線(xiàn)圈、電流互感器或者錳銅分流器。它是一款高精度計(jì)量芯片，在5%到1,000%動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，可達(dá)到0.2%。STMP01主要由兩部分組成即模擬部分和數(shù)字部分，包括前值放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、帶隙電壓基準(zhǔn)、調(diào)壓器、DSP和SPI接口等。

圖1：STPM01內(nèi)部框圖。

    芯片上還配置了56位OTP存貯器，可以將校表數(shù)據(jù)等信息燒錄到芯片上。調(diào)壓器除了向內(nèi)部模擬和數(shù)字電路供電外，還向外部提供3V和1.5V電源。

    電壓通道的差分放大器增益為4倍，其輸入最大差分信號(hào)為±0.3V。電流通道除了前置放大器外，還有一個(gè)可編程放大器，兩個(gè)電流通道的放大倍數(shù)可獨(dú)立編程，這為電流通道選用不同的傳感器提供了方便。

    STPM01內(nèi)部有2個(gè)有功電能寄存器，即0類(lèi)有功電能和1類(lèi)有功電能。0類(lèi)為基波有功電能，1類(lèi)為含諧波的總有功電能(FUND＝1時(shí))。因此利用這兩個(gè)寄存器可以計(jì)算出諧波電能含量。除測(cè)量和配置寄存器外片內(nèi)還設(shè)有狀態(tài)寄存器和模式寄存器。

    通過(guò)設(shè)置配置位，STPM01可以獨(dú)立工作，也可以作為單片機(jī)外圍設(shè)備。在獨(dú)立模式下，STPM01(MON和MOP管腳)可以直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)計(jì)度器，同時(shí)LED管腳輸出有功電能脈沖，脈沖常數(shù)通過(guò)配置位選擇。此模式下，SDA/TD管腳輸出竊電指示信號(hào)，SCL/NLC管腳輸出無(wú)負(fù)載指示信號(hào)，SYN管腳輸出電能反向指示信號(hào)。上電后，芯片按照OTP中的配置信息進(jìn)行工作。

    作為單片機(jī)外圍設(shè)備時(shí)，STPM01可作為從機(jī)通過(guò)SPI接口與單片機(jī)通信，將測(cè)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和配置信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)還可以修改其配置位，實(shí)時(shí)更改STPM01的工作方式。配置位APL＝0時(shí)，MOP管腳輸出電壓過(guò)零信號(hào)，MON輸出看門(mén)狗信號(hào)。而通過(guò)設(shè)置配置位KMOT，LED管腳可以輸出基波有功電能、總有功電能、無(wú)功電能或視在電能脈沖；APL＝1時(shí)，MOP腳輸出電壓A/D轉(zhuǎn)換值，MON腳輸出電流A/D轉(zhuǎn)換值，LED腳輸出電流通道選擇信號(hào)。

    STPM01有兩個(gè)電流通道，可分別用于監(jiān)測(cè)火線(xiàn)和零線(xiàn)電流，當(dāng)兩者的差別超過(guò)設(shè)定閥值時(shí)，芯片進(jìn)入竊電狀態(tài)，取較大者用于電能計(jì)算。閥值可通過(guò)配置位設(shè)為12.5％或6.25％。當(dāng)兩通道電流符號(hào)不同時(shí)，不判斷電流大小直接進(jìn)入竊電狀態(tài)。在竊電狀態(tài)下，竊電狀態(tài)位BIT置位，如果此時(shí)芯片工作在獨(dú)立模式，竊電狀態(tài)還通過(guò)SDATD管腳輸出。

    STPM01還有一種單線(xiàn)計(jì)量模式。如果FRS設(shè)為1，在沒(méi)有輸入電壓信號(hào)或電壓信號(hào)穩(wěn)定不變時(shí)，芯片進(jìn)入單線(xiàn)計(jì)量模式。此時(shí)不對(duì)電壓信號(hào)采樣，而用設(shè)定的額定電壓計(jì)算電能(按功率因數(shù)為1計(jì)算)。單線(xiàn)計(jì)量模式要求電流傳感器必須采用ROGOWSKI線(xiàn)圈。累加方式也可以選擇，配置位ABS置1時(shí)電能按絕對(duì)值累計(jì)，ABS清零時(shí)電能按代數(shù)和累計(jì)。

P89LPC9401微控制器簡(jiǎn)介

    P89LPC9401是一款低成本單片機(jī)，它采用了高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。它實(shí)際上是P89LPC931微控制器和PCF8576D液晶驅(qū)動(dòng)器的復(fù)合體。其主要特性如下：8KB的Flash程序存儲(chǔ)器，單字節(jié)擦除特性使每個(gè)字節(jié)都可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；256B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4×32段LCD驅(qū)動(dòng)器；2個(gè)模擬比較器，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和1個(gè)RTC定時(shí)器；8個(gè)鍵盤(pán)中斷輸入，2路外部中斷輸入；4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；有20~23個(gè)I/O口，端口驅(qū)動(dòng)能力20mA；具有I2C、SPI和增強(qiáng)型UART端口；CPU時(shí)鐘可選擇片內(nèi)看門(mén)狗振蕩器、片內(nèi)RC振蕩器、外部晶振振蕩器或外部時(shí)鐘源；掉電檢測(cè)可在電源故障時(shí)使系統(tǒng)安全關(guān)閉；具有空閑和兩種不同的掉電模式及喚醒功能；可選擇片內(nèi)復(fù)位或外部復(fù)位；支持ICP、ISP和IAP編程，F(xiàn)lash保密位防止程序讀出；VDD工作電壓范圍為2.4~3.6V，I/O口可承受5V。

系統(tǒng)方案

    電表設(shè)計(jì)用于220V/50Hz電網(wǎng)，基本電流10A，最大電流40A。主要由計(jì)量模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源模塊組成。

              圖2：電表設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。

    電壓和電流分別由電阻分壓器和電流互感器和錳銅分流器取樣，取樣信號(hào)送入計(jì)量芯片STPM01，由STPM01對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)相位校正，計(jì)算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)，STPM01自動(dòng)選擇電流較大的通道計(jì)算電能。這些數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送給LPC9401。

    LPC9401讀取計(jì)量芯片數(shù)據(jù)后，完成電能的累計(jì)、存儲(chǔ)和顯示，并輸出電能脈沖，實(shí)時(shí)檢測(cè)電表工作狀態(tài)，記錄所發(fā)生的竊電事件，給出竊電指示信號(hào)。通過(guò)紅外通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電表數(shù)據(jù)抄讀和設(shè)置，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源，電源掉電后，單片機(jī)關(guān)閉液晶顯示，進(jìn)入完全掉電模式，將功耗降到最低，僅由后備電池維持單片機(jī)內(nèi)部RTC運(yùn)行。

    P89LPC9401資源十分豐富，具有多種總線(xiàn)接口。其SPI接口用于連接STPM01，I2C接口用于LCD顯示和EEPROM數(shù)據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信，外部中斷1用于掉電檢測(cè)。為降低成本，采用內(nèi)部RTC為事件記錄提供時(shí)標(biāo)，CPU時(shí)鐘源也采用內(nèi)部的RC振蕩器，通過(guò)DIVM寄存器2分頻將CPU時(shí)鐘調(diào)整為3.686MHz，以降低系統(tǒng)功耗。采用內(nèi)部和外部雙看門(mén)狗的設(shè)計(jì)，提供系統(tǒng)可靠性。內(nèi)部看門(mén)狗使用獨(dú)立振蕩器，將STPM01設(shè)置為外部看門(mén)狗，其看門(mén)狗復(fù)位信號(hào)連接到LPC9401的鍵盤(pán)中斷口。

STPM01與P89LPC9401接口設(shè)計(jì)

    STPM01的SPI接口是一個(gè)兩線(xiàn)口，其數(shù)據(jù)輸入輸出是同一個(gè)管腳，與標(biāo)準(zhǔn)三線(xiàn)SPI口不同。我們采用了圖3所示方法連接兩芯片。

    作為SPI總線(xiàn)主機(jī)，LPC9401輸出時(shí)鐘信號(hào)，STPM01依照SCLNLC的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行通信。為提高抗干擾性能，在連線(xiàn)中串聯(lián)一個(gè)10~100Ω電阻，該電阻與芯片管腳輸入電容構(gòu)成低通濾波器，濾除連線(xiàn)上的干擾。LPC9401讀取STPM01數(shù)據(jù)時(shí)，使用片上的SPI模塊。而向STPM01寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，不使用SPI總線(xiàn)控制模塊，而采用軟件模擬SPI時(shí)序輸出數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)是考慮到電表運(yùn)行時(shí)，LPC9401很少向STPM01寫(xiě)數(shù)據(jù)，而讀數(shù)據(jù)非常頻繁。這種設(shè)計(jì)充分利用了芯片的資源，提高了程序運(yùn)行效率。

取樣電路設(shè)計(jì)

    電壓取樣采用電阻分壓，考慮到貼片電阻的耐壓有限，選用4只200kΩ電阻做分壓器。STPM01電壓通道最大輸入差分電壓為±0.3V，對(duì)于50Hz交流電，對(duì)應(yīng)有效值為0.21VRMS，輸入信號(hào)不能大于此最大值，否則會(huì)出現(xiàn)削峰。考慮到余量，對(duì)于220V額定電壓，我們?nèi)?.16VRMS，則

    取樣電阻＝200×4×0.16/220＝581Ω，我們選560Ω作為取樣電阻。

    相電流傳感器我們采用互感器，變比為5,000:1。該通道增益設(shè)置為8，則輸入最大信號(hào)為0.105VRMS，考慮到一定余量，在40A時(shí)，輸入信號(hào)選擇在0.08VRMS左右，則互感器負(fù)載電阻為0.08/40×5,000＝10Ω。

    零線(xiàn)電流通道我們采用錳銅分流器，分流器阻值取250μΩ。阻值不能取得過(guò)大或過(guò)小，如果選得過(guò)小，則在小電流時(shí)取樣信號(hào)太微弱，導(dǎo)致誤差增大，容易超差。如果選得過(guò)大，則大電流時(shí)分流器發(fā)熱過(guò)大，造成誤差不穩(wěn)定。

圖3：SPI接口示意圖。

    對(duì)于250μΩ分流器，在40A時(shí)其兩端電壓信號(hào)為250×40＝10,000μV，即10mVRMS。取樣信號(hào)非常小，所以該通道增益應(yīng)設(shè)置為最大即32倍，此時(shí)信號(hào)輸入最大幅度為26.25mVRMS。實(shí)際最大輸入信號(hào)小于允許的最大輸入信號(hào)，分流器阻值選擇合理。

電源電路設(shè)計(jì)

    電源模塊由主電源和副電源組成，主電源在電壓線(xiàn)路電壓存在時(shí)工作。當(dāng)電壓消失，而電流線(xiàn)路有電流時(shí)，副電源為系統(tǒng)提供電源，此時(shí)電表按照設(shè)定方式計(jì)量電能。

    STPM01工作電壓為3.0~5.5V，LPC9401工作電壓為2.4~3.6V，考慮到功耗和余量，系統(tǒng)工作電壓設(shè)計(jì)為3.3V。主電源我們采用線(xiàn)性電源，220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。對(duì)于副電源，首先由一個(gè)電流－電壓感應(yīng)器將電流線(xiàn)路的電流通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換為交流電壓，當(dāng)火線(xiàn)和零線(xiàn)中的電流大小相等方向相反時(shí)，感應(yīng)器無(wú)電壓輸出，否則會(huì)輸出一定幅度的電壓，此電壓經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。

軟件設(shè)計(jì)

    電表軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)子程序：電能計(jì)量子程序、顯示子程序、日歷子程序、掉電處理子程序、通訊子程序等。

    這里主要介紹一下電能計(jì)量子程序。電表上電后，主程序進(jìn)行初始化，寫(xiě)入STPM01配置參數(shù)，設(shè)定定時(shí)時(shí)間以定時(shí)調(diào)用電能計(jì)量子程序。計(jì)量子程序讀取測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)，計(jì)算出電量值并輸出電能脈沖。主電源失電后，若從STPM01讀取得電流值不為零，則認(rèn)為電表處于單線(xiàn)計(jì)量的竊電狀態(tài)，此時(shí)以額定電壓計(jì)算電量。定時(shí)讀取STPM01的時(shí)間，應(yīng)滿(mǎn)足在最大電流時(shí)，電能寄存器不發(fā)生溢出，并考慮一定過(guò)載余量。由于啟用了STPM01的看門(mén)狗功能，如果1.6s內(nèi)沒(méi)有對(duì)STPM01進(jìn)行讀/寫(xiě)，STPM01就會(huì)輸出看門(mén)狗信號(hào)，使MCU產(chǎn)生中斷。因此，定時(shí)讀取時(shí)間最長(zhǎng)不能超過(guò)1.6s。

       圖4：電能計(jì)量子程序流程圖。

防竊電功能

    本方案設(shè)計(jì)的電表，可以防止以下幾種竊電行為。

1. 進(jìn)出線(xiàn)反接：即負(fù)載端和電網(wǎng)端接線(xiàn)對(duì)調(diào)，此時(shí)測(cè)得的電能為負(fù)值。此時(shí)對(duì)于普通機(jī)械式電表，其計(jì)度器將反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致讀數(shù)減少，而本表仍按正向累計(jì)電量；

2. 進(jìn)出線(xiàn)旁路：即相線(xiàn)或零線(xiàn)的進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)被旁路，此時(shí)普通電表會(huì)少計(jì)旁路電能，本表則能準(zhǔn)確計(jì)量實(shí)際耗電；

3. 相零對(duì)調(diào)：即相線(xiàn)與零線(xiàn)對(duì)調(diào)，本表仍能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

4. 負(fù)載接地：即負(fù)載只接相線(xiàn)，而將零線(xiàn)接入大地，本表仍能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

5. 相零對(duì)調(diào)并且負(fù)載接地：此時(shí)普通電表不計(jì)電能，而本表能準(zhǔn)確計(jì)量電能；

6. 單線(xiàn)計(jì)量：即在入線(xiàn)側(cè)將零線(xiàn)斷開(kāi)，負(fù)載接出線(xiàn)側(cè)相線(xiàn)，另一端接地。此時(shí)普通電表不能工作，無(wú)法計(jì)量電能，本表在負(fù)載電流達(dá)到2A以上時(shí)，可以計(jì)量電能，并且精度可以達(dá)到1％以上。

以上各種手法組合使用時(shí)，本表也能達(dá)到防竊電目的。

本文小結(jié)

    本設(shè)計(jì)采用STPM01作為核心計(jì)量芯片，P89LPC9401作為系統(tǒng)控制器，整個(gè)系統(tǒng)功耗低，性能穩(wěn)定。整表功能強(qiáng)大，精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，誤差穩(wěn)定。如果提高電流-電壓感應(yīng)器的轉(zhuǎn)換效率，并努力降低系統(tǒng)功耗，則單線(xiàn)計(jì)量啟動(dòng)電流可以進(jìn)一步降低，有希望做到1A以下，防竊電效果會(huì)更理想。

參考文獻(xiàn)
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