針對產(chǎn)品的缺陷，三相多功能電能表解決方案誕生

背景

電能表是用來測量電能的儀表，又稱電度表，火表，電能表，千瓦小時表，指測量各種電學(xué)量的儀表。目前國內(nèi)的電能表設(shè)計已經(jīng)走過了由8位MCU向通用DSP甚至專用DSP的變革，通用DSP的應(yīng)用方案的劣勢在于DSP的專業(yè)應(yīng)用和嵌入程度不夠深的問題，成本偏高；基于ARM的方案也已經(jīng)出現(xiàn)，但是適合應(yīng)用的ARM7 TDMI在性能上不盡人意，同時外設(shè)資源不足；而更高端的ARM9系統(tǒng)的復(fù)雜程度很高，成本也較高。這樣很多的企業(yè)都不樂意去使用這個高成本的電能表，這樣市場就嚴(yán)重的縮水，所以要研究一種廉價的，滿足客戶需求的電能表，來填補這個空缺。

一、關(guān)于CORTEX-M3與STM32

最新一代ARM v7內(nèi)核，命名為Cortex，同ARM7/9/10/11相比在架構(gòu)上有了革命性突破。它采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，達(dá)到1.25DMIPS/MHz，在功耗上更是達(dá)到0.06mW/MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自動16/32位混合排列。單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證Cortex-M3的運算能力有大幅提高，Cortex-M3包含嵌套向量中斷控制器NVIC，中斷響應(yīng)速度最快僅6周期，內(nèi)部集成總線矩陣，支持DMA操作及位映射。

STM32系統(tǒng)按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。

二、基于STM32的電能表方案

根據(jù)電能表的功能和誤差精度的需求，我們選用了STM32F103xx，最高工作頻率為72MHz。

（一）采集數(shù)據(jù)處理與計算

在實際應(yīng)用中，電力信號通過互感器采集到電能表中，通過一個6通道16位模擬前端處理器（AD73360）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸?shù)絊TM32中。AD73360是6通道同步采樣的Σ-ΔADC器件，它內(nèi)置了基本型電壓基準(zhǔn)及通道內(nèi)置獨立的PGA，通過調(diào)整通道PGA可以獲得合適的動態(tài)范圍從而保證微弱信號的計量精度。

電壓電流輸入信號首先需要RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波和數(shù)據(jù)采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD73360有獨立的時鐘源，可配置為自動數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模式，通過SPI總線不斷的將數(shù)據(jù)傳向STM32。STM32內(nèi)的Cortex-M3內(nèi)核對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，完成數(shù)字濾波，過零點檢測，得到基本的電流電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過時間積分計算和轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電能計量。

（二）采樣電路和濾波網(wǎng)絡(luò)

由于被采樣信號為高電壓信號和大電流信號，我們需要對被采樣信號做高保真轉(zhuǎn)換為雙極性的電壓信號以便用AD電路離散化處理，我們需要令輸入信號位于AD73360的動態(tài)范圍的正中。采用的方法是：定義ADC工作電壓為5伏，選擇參考電壓2.5伏，將AD差分輸入的負(fù)端直接接到參考電壓輸入，差分輸入的正端接被測信號。電路分析可以參照圖三：

（三）AD73360與STM32的接口

為了盡量少的占用CPU時間，需要使用STM32內(nèi)部的硬件SPI和DMA單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而STM32的內(nèi)核根據(jù)DMA的傳輸結(jié)果來批量獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并啟動數(shù)據(jù)處理程序。硬件連接關(guān)系如圖4所示。
 

在STM32的硬件設(shè)置程序中，需要關(guān)閉SPI的所有中斷，設(shè)置SPI為從模式，并選取一個DMA通道與之協(xié)同工作，自動將SPI從模式收到的數(shù)據(jù)保存在指定的內(nèi)存地址。為了令A(yù)D73360正確采集數(shù)據(jù)，還必須根據(jù)使用要求配置AD73360的內(nèi)部寄存器，令A(yù)D73360處于數(shù)據(jù)模式并主動向STM32發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。

三、主要電能參量的計算

AD73360是固定周期采集，我們使用的是150Hz或160Hz，即每周期采集150/160點，為此AD73360采用的時鐘是6.000MHz或16.384MHz，系統(tǒng)中對AD73360的配置為DMCLK分頻因子為2048。AD73360是差分采集，很方便進(jìn)行過零點檢測和直流分量調(diào)節(jié)，以保證信號幅度對稱，從而減小系統(tǒng)誤差。

電壓測量(有效值)計算式：

式中：U－電壓有效值，n－每周期采樣點數(shù)， uk —電壓采樣值

電流測量(有效值)計算式：

式中：I－電流有效值，n－每周期采樣點數(shù)， ik－電流采樣值

在得到的電流電壓有效值基礎(chǔ)上計算出總功率S通過對時間積分的電流電壓積得到有功功率P，無功功率Q是總功率S與有功功率P之差，功率因數(shù)是有功功率P與總功率S的比。

對于單器件和三相四線星形負(fù)載的有功功率和無功功率的計算匯總?cè)缦拢?/p>

單元件有功功率計算式：

式中： P－單元件有功功率，n－每周期采樣點數(shù)， uk－元件上電壓采樣值， ik－元件上電流采樣值

單元件無功功率計算式：

式中：Q－單元件無功功率，n－每周期采樣點數(shù)， uk－元件上電壓采樣值， ik－元件上電流采樣值(90度移相后)

三相四線三元件有功功率計算式： PΣ=Pu+Pv+Pw

式中： PΣ－三相有功功率，Pk －(k=u,v,w)各相有功功率

三相四線三元件無功功率計算式： QΣ=Qu+Qv+Qw

式中： QΣ－三相無功功率，Qk －(k=u,v,w) 各相無功功率

四、非線性失真的補償與修正

電信號采集過程中可能存在的電磁元件會造成采集信號和實際信號之間的相位失真以及線性失真。為了補償和修正這些失真帶來的誤差，還需要使用分段矯正和補償?shù)姆椒ā?/p>

線性度補償參數(shù)和相位補償參數(shù)的獲取方法如下：

1、零偏校準(zhǔn)：令所有通道輸入為零，分別記錄各通道零點位置。

2、電壓校準(zhǔn)：令所有電壓通道輸入值為標(biāo)準(zhǔn)電壓值220V（RMS），記錄各相電壓校準(zhǔn)參數(shù)。

3、電流校準(zhǔn)：令所有電流通道輸入值為分界點電流，記錄各通道小電流測量段校準(zhǔn)參數(shù)。再令所有電流通道輸入值為最大值，分別記錄各通道大電流測量段的校準(zhǔn)參數(shù)。

4、相移校準(zhǔn)：分別令電流電壓通道輸入相位相差60度感性，并且電流通道的電流值處于相位補償段的中間點，并根據(jù)有功電能誤差來求取該補償段的相位補償參數(shù)。

5、求取的全部補償參數(shù)存儲在非易失存儲器中。

五、電能表配合電路

實時時鐘電路：Intersil的ISL12022M是內(nèi)置時鐘晶體的高可靠性全自動溫度補償RTC芯片。該RTC依靠工廠預(yù)校準(zhǔn)，和全工業(yè)級溫度范圍的自動溫補來保障電子產(chǎn)品全生命周期的計時精度，該RTC還具有電池狀態(tài)監(jiān)測、上電/掉電時間戳記錄功能和內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器功能，更可以用在除電表外的綜合電力終端設(shè)備中。

電壓參考基準(zhǔn)：Intersil的ISL21009系列是低噪聲，高穩(wěn)定度的精密電壓基準(zhǔn)，用于在AD73360內(nèi)置基準(zhǔn)的穩(wěn)定度（50ppm）不夠的情況下，為測量系統(tǒng)補充提供更高穩(wěn)定度（5ppm）的參考電壓。

電源管理電路：ON Semiconduction的NCP3063是低成本、高效率的DC/DC穩(wěn)壓器，它對外圍電路要求簡單，輸入電壓范圍寬達(dá)40伏。而電能表往往工作在很寬的輸入電壓范圍條件下，因此，NCP3063非常適合用在電能表工頻變壓器后面做5伏或3.3伏的直流穩(wěn)壓。

通信接口電路：Intersil的ISL3152E是全功能RS485接口芯片，該接口芯片擁有多項特別適合于電能表AMR系統(tǒng)的特性指標(biāo)。其中包括，1/8標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載驅(qū)動（256節(jié)點），正負(fù)16.5千伏ESD保護(hù)，熱插拔功能，20Mbps總線速率，支持星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)等等。

結(jié)語

基于CORTEX的STM32的三相電能表方案在市場上已有一定的名聲，所以這個方案已經(jīng)成功的解決了當(dāng)前存在的各種問題，對于市場也有了很高的競爭力，企業(yè)的選擇也會趨向于這個廉價的，方便快捷的系統(tǒng)。