基于STM32的三相多功能電能表解決方案

　　背景

　　電能表作為電能計(jì)量的基本設(shè)備，受到國(guó)家電力部門(mén)的長(zhǎng)期重視，電能表生產(chǎn)企業(yè)更是不遺余力地尋求設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)性能俱佳且成本更低的解決方案。目前國(guó)內(nèi)的電能表設(shè)計(jì)已經(jīng)走過(guò)了由8位MCU向通用DSP甚至專(zhuān)用DSP的變革，通用DSP的應(yīng)用方案的劣勢(shì)在于DSP的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用和嵌入程度不夠深的問(wèn)題，成本偏高；而專(zhuān)用DSP功能相對(duì)固定，這樣給電能表設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠(chǎng)家?guī)?lái)功能差異化空間不足的困難。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(shí)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。選擇一顆合適且低成本的微處理器日益成為電能表行業(yè)的關(guān)鍵所在，直到意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronic公司，下稱(chēng)ST）STM32的出現(xiàn)為電能表設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)化和定制化帶來(lái)了嶄新的機(jī)遇和空間。

　　一、關(guān)于CORTEX-M3與STM32

　　2005年ARM公司發(fā)布其最新一代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，性能上更是本質(zhì)的飛越，Cortex系列包含三個(gè)系列，-A/-R/-M。Cortex-M3特別針對(duì)功耗和價(jià)格敏感的嵌入應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)具備高性能，它采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級(jí)流水線(xiàn)，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(dòng)16/32位混合排列，具有很高的代碼密度。單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證Cortex-M3的運(yùn)算能力有大幅提高，在一些對(duì)計(jì)算能力要求相對(duì)較低而嵌入式要求相對(duì)較高的場(chǎng)合，STM32就具有取代傳統(tǒng)DSP的潛力甚至優(yōu)勢(shì)。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(xiàn)矩陣，支持DMA操作及位映射。

　　STM32是ST公司在業(yè)界最先推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核產(chǎn)品，繼承了Cortex-M3內(nèi)核的優(yōu)良血統(tǒng)，同時(shí)增加了ST高性能的外設(shè)資源，F(xiàn)LASH、SRAM存儲(chǔ)器，豐富的串行通信接口，如IIC、SPI、USART、CAN、USB等，以及12位的ADC和DAC模塊，支持外部存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC。

　　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ST公司STM32的增強(qiáng)型系列STM32F103xx，最高工作頻率為72MHz。在程序設(shè)計(jì)上除了完成快速數(shù)據(jù)處理工作以外，還針對(duì)系統(tǒng)非線(xiàn)性失真進(jìn)行了修正和補(bǔ)償。

　　電能表系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

　　（一）采集數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

　　在實(shí)際應(yīng)用中，電力信號(hào)通過(guò)互感器采集到電能表中，通過(guò)一個(gè)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(hào)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(dú)立的PGA（可編程增益放大器），非常適合三相電流電壓信號(hào)的同步采樣，在小信號(hào)的時(shí)候，通過(guò)調(diào)整通道PGA可以獲得合適的動(dòng)態(tài)范圍從而保證微弱信號(hào)的計(jì)量精度。電能表數(shù)據(jù)采集框圖示于圖2。

　　電壓電流輸入信號(hào)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(dú)立的時(shí)鐘源，可配置為自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模式，通過(guò)SPI總線(xiàn)不斷的將數(shù)據(jù)傳向STM32。STM32內(nèi)的Cortex-M3內(nèi)核對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，完成數(shù)字濾波，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，得到基本的電流電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間積分計(jì)算和轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電能計(jì)量。

　　（二）采樣電路和濾波網(wǎng)絡(luò)

　　由于被采樣信號(hào)為高電壓信號(hào)和大電流信號(hào)，我們需要對(duì)被采樣信號(hào)做高保真轉(zhuǎn)換為雙極性的電壓信號(hào)以便用AD電路離散化處理，而AD73360是單電源供電模擬前端，所以我們需要令輸入信號(hào)位于AD73360的動(dòng)態(tài)范圍的正中。采用的方法是：定義ADC工作電壓為5伏（動(dòng)態(tài)范圍0～5V），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(cè)信號(hào)。具體電路如圖3。

　　在實(shí)際電路中，相電流信號(hào)經(jīng)CT變換為低電壓信號(hào)，相電壓則通過(guò)高精度電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到線(xiàn)性的低電壓信號(hào)，信號(hào)幅度范圍需保證在5V之內(nèi)。

　　（三）AD73360與STM32的接口

　　因?yàn)锳D73360產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)總量龐大，為了盡量少的占用CPU時(shí)間，需要使用STM32內(nèi)部的硬件SPI和DMA單元實(shí)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(lái)批量獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序。硬件連接關(guān)系如圖4所示。

　　由STM32的GPIO控制AD73360的SE和RESET，并用一個(gè)外部中斷輸入腳來(lái)監(jiān)聽(tīng)?zhēng)叫盘?hào)，這樣才可以用程序來(lái)保證數(shù)據(jù)幀內(nèi)容的字節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　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(gè)DMA通道與之協(xié)同工作，自動(dòng)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(dòng)向STM32發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。

　　三、主要電能參量的計(jì)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(diǎn)，為此AD73360采用的時(shí)鐘是6.000MHz或16.384MHz，系統(tǒng)中對(duì)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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)和直流分量調(diào)節(jié)，以保證信號(hào)幅度對(duì)稱(chēng)，從而減小系統(tǒng)誤差。

　　電壓測(cè)量(有效值)計(jì)算式：

　　式中：U－電壓有效值，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù)，u_k —電壓采樣值

　　電流測(cè)量(有效值)計(jì)算式：

　　式中：I－電流有效值，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù)， i_k－電流采樣值

　　在得到的電流電壓有效值基礎(chǔ)上計(jì)算出總功率S（即視在功率），通過(guò)對(duì)時(shí)間積分的電流電壓積得到有功功率P，無(wú)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(duì)于單器件和三相四線(xiàn)星形負(fù)載的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算匯總?cè)缦拢?/P>

　　單元件有功功率計(jì)算式：

　　式中： P－單元件有功功率，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù)， u_k－元件上電壓采樣值， i_k－元件上電流采樣值

　　單元件無(wú)功功率計(jì)算式：

　　式中：Q－單元件無(wú)功功率，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù)， u_k－元件上電壓采樣值， i_k－元件上電流采樣值(90度移相后)

　　三相四線(xiàn)三元件有功功率計(jì)算式： P_Σ=P_u+P_v+P_w

　　式中： P_Σ－三相有功功率，P_k －(k=u,v,w)各相有功功率

　　三相四線(xiàn)三元件無(wú)功功率計(jì)算式： Q_Σ=Q_u+Q_v+Q_w

　　式中： Q_Σ－三相無(wú)功功率，Q_k －(k=u,v,w) 各相無(wú)功功率

　　四、非線(xiàn)性失真的補(bǔ)償與修正

　　電信號(hào)采集過(guò)程中可能存在的電磁元件（CT或PT）會(huì)造成采集信號(hào)和實(shí)際信號(hào)之間的相位失真以及線(xiàn)性失真。為了補(bǔ)償和修正這些失真帶來(lái)的誤差，還需要使用分段矯正和補(bǔ)償?shù)姆椒?。例如，根?jù)CT（PT）的相移曲線(xiàn)選擇合適的兩個(gè)點(diǎn)將整個(gè)量程分為三段，在測(cè)量值分處不同的段時(shí)，分別調(diào)用不同的相移參數(shù)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行相位補(bǔ)償。

　　線(xiàn)性度補(bǔ)償參數(shù)和相位補(bǔ)償參數(shù)的獲取方法（校準(zhǔn)過(guò)程）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(diǎn)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(diǎn)電流，記錄各通道小電流測(cè)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(cè)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(bǔ)償段的中間點(diǎn)，并根據(jù)有功電能誤差來(lái)求取該補(bǔ)償段的相位補(bǔ)償參數(shù)。

　　5、求取的全部補(bǔ)償參數(shù)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，例如STM32的FLASH。

　　五、電能表配合電路

　　除了測(cè)量計(jì)量功能外，電能表還需要實(shí)現(xiàn)通訊，存儲(chǔ)以及時(shí)間管理功能，具體的程序和做法在此不再贅述，但為了實(shí)現(xiàn)完整的電能表功能，其周邊器件的選擇卻很關(guān)鍵。

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路：Intersil的ISL12022M是內(nèi)置時(shí)鐘晶體的高可靠性全自動(dòng)溫度補(bǔ)償RTC芯片。該RTC依靠工廠(chǎng)預(yù)校準(zhǔn)，和全工業(yè)級(jí)溫度范圍的自動(dòng)溫補(bǔ)來(lái)保障電子產(chǎn)品全生命周期的計(jì)時(shí)精度，免除了電表的時(shí)鐘校準(zhǔn)的工藝過(guò)程，降低了生產(chǎn)成本。該RTC還具有電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、上電/掉電時(shí)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(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)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(duì)外圍電路要求簡(jiǎn)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(xiàng)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(dòng)（256節(jié)點(diǎn)），正負(fù)16.5千伏ESD保護(hù)，熱插拔功能（節(jié)點(diǎn)電源變化不影響總線(xiàn)通信），20Mbps總線(xiàn)速率，支持星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)等等。

　　結(jié)語(yǔ)

　　基于CORTEX的STM32的三相電能表方案已經(jīng)證明是當(dāng)前的主流的最具優(yōu)勢(shì)的方案，得到了業(yè)界的廣泛好評(píng)和認(rèn)可。目前，本方案已成功應(yīng)用在某大型電表生產(chǎn)企業(yè)0.5S電子式三相多功能電能表中。