一种基于SoC的三相智能电表设计

2013-03-15吕新伟

电力工程技术 2013年4期

陶军，吕新伟

(1.江苏省电力公司，江苏南京210036；2.湖南威胜集团公司，湖南长沙410205)

智能电网是以特高压电网为骨干网架，以各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网[1-4]。智能电表作为智能电网的最终节点，是智能电网的重要组成部分，加快其发展对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用[3-6]。随着微电子技术的发展，电子芯片的集成度得到了极大提高，使得将整个计算机集成到一个芯片，即片上系统（System-on-Chip）成为可能[7]。 SoC不但集成度高，更重要的是具有应用领域的行为和功能特征，具有更多的应用专业知识含量，使整机成本和体积以及功耗都大大降低，加快了整机系统更新换代的速度。与单功能芯片相比，SoC芯片具有体积小、印制电路板（PCB）空间占用少、功耗低、抗电磁干扰能力强、可靠性高、成本低等优势[7，8]。同时，采用SoC可以减少外围电路芯片，降低整机成本。

1 MK30N512VMD100微控制器简介

MK30N512VMD100是Freescale公司的K30系列微控制器族的一员，其内核采用32位的ARM Cortex-M4，性能可达1.25 DMIPS/MHz。工作频率最高100 MHz。MK30N512VMD100支持10种低功耗模式，支持低功耗定时器和低功耗RTC，为智能电表低功耗设计提供有利支持。

MK30N512VMD100内部集成128 kB的RAM存储器和512 kB的Flash存储器；内置DMA控制器，提供32个完全可编程通道；集成16位SAR ADC，最大可支持4路差分信号或24路单端信号的模拟量输入；集成段码液晶驱动模块，最大支持48个液晶引脚，且段信号和公共端信号引脚可配置，其中段码信号最大支持44路，公共端信号最大支持4路；支持6路UART异步通信接口，3路SPI和2路I2C同步通信接口；同时，MK30N512VMD100集成了RTC、看门狗和硬件CRC发生器。

2硬件设计

SoC智能电表硬件由电源模块、计量单元、显示单元、存储单元、通信单元和输入输出单元6大部分组成，结构框图如图1所示。

图1三相SoC智能电表硬件框图

电源是电能表工作的基本条件，由于在停电状态下对电表有显示和抄读的要求，同时要求停电不影响电表时钟连续，因此，需要在停电状态下通过后备电源对电表进行供电。且在设计中，电源模块分为主电源模块和辅助电源模块。主电源电路由电压进线端交流电源供电，为智能电表提供3.3 V和12 V直流电源，3.3 V直流电源为智能电表内部数字电路供电，12 V直流电源为电表外接通信模块和辅助端子供电，同时为内部继电器提供驱动电流。辅助电源采用电池供电，在220 V交流电停电情况下，为智能电表提供3.3 V直流电源，由于电池容量有限，为延长电池寿命，不可能维持电表所有硬件的正常运行，所以在电池供电的情况下，依照智能电表的功能需求，仅对MCU、LCD液晶板和红外通信电路供电，其余外部设备的电源均处于关闭状态。

计量单元是智能电表的核心工作单元。在很多电能表的设计中，计量单元采用独立的计量芯片来实现对有功功率、无功功率、电压有效值、电流有效值、功率因数、相角等数据的测量和电能量的计量。在基于SoC的智能电表中，使用内部的高精度的AD进行电压电流采样，通过软件计算获得计量数据，因此相对于采用独立计量芯片的方案，SoC智能电表的计量单元得以简化，只保留了交流电压、电流信号的模拟变换电路。

SoC智能电表显示采用段码液晶，按照智能电表表功能需求以及客户的要求，液晶显示屏显示需要设定的相关项，同时配合按键使用，完成相关项的显示。由于MK30N512VMD100芯片内置液晶驱动模块，所以显示单元的设计大大得到了简化，液晶引脚与MK30N512VMD100液晶驱动引脚直接进行连接。因智能电表显示内容十分丰富，液晶段数很多，则MK30N512VMD100的液晶驱动采用32个段信息，8个公共端的配置方式。

存储单元由1片Flash芯片和1片EEPROM芯片构成。Flash芯片采用AT45DB161D，通过SPI接口与MK30N512VMD100连接，用来存储负荷记录、冻结数据、结算数据、时间记录等只需写入一次、此后只需抄读的数据；EEPROM芯片采用24LC256，用来保存电表参数和掉电保护数据，通过I2C接口与MK30N512VMD100连接。通信单元提供智能电表对外通信的接口，包括1路RS-485通信接口、1路红外通信接口和1路通信模块接口电路，这3路对外通信接口分别占用MK30N512VMD100的UART0，UART1和UART2。对RS-485通信电路，需要对485转换芯片的RE/DE引脚进行控制，以实现485通信的收发切换。对通信模块接口电路，由于智能电表的功能需求需要，增加RST、STA状态输入和EVENT状态输出。输入输出单元提供外部数字信号的输入输出接口，主要有辅助端子信号的输入输出隔离驱动电路，按键、编程键及开盖检测信号的输入，继电器的驱动电路等。

3软件设计

由于SoC智能电表省去了外置专用计量芯片，对电量的计量必须通过对电压、电流进行AD采样，由软件进行计算处理。因此SoC智能电表软件分为计量程序和管理程序两部分。

3.1计量程序

计量是智能电表的核心功能，计量精度对智能电表的产品质量起着决定作用，要保障计量精度就必须保障对电压电流采样的时间周期恒定，因此SoC智能电表通过自动重载定时器来启动电压电流采样，以保证采样周期恒定[9]。但由于MK30N512VMD100只有4路差分采样通道，这就决定不可能对A，B，C三相同时进行电压和电流采样，因此在定时器中断服务只启动A相电压电流采样，由在AD中断服务程序中依次启动其余B相和C相的电压电流采样。当一个周波采样完成后，进行计量计算。计量程序流程如图2所示。

图2计量程序流程图

由于A相电压电流采样是由定时器启动，所以在AD中断服务程序中只需要启动B相和C相的电压电流采样。将A，B，C三相分别记为第一相、第二相、第三相，在AD中断服务程序中，首先判断产生当前中断的是第几相的采样，如果为第三相采样（即C相电压电流采样），则判断三相采样完成，否则启动下一相的采样。A，B，C三相采样完毕，记为一个采样点，由于计量算法要求一个周波的采样数据，因此需要对一个周波采样完成后才能进行计量计算。而在三相交流电中，A，B，C三相的电压频率是一致的，因此判断周波可以以任意一相电压波形是否为一个周波为依据。如果完成了一个周波内所有三相电压电流采样，则计算一次周波瞬时值，并进行电量累加，然后根据累加的电量和脉冲常数，输出电量脉冲。最后以1 s为一个周期，对电压、电流、功率等计量数据取平均值输出，供管理程序使用。计量计算的数据有分相有功功率、无功功率、电压有效值、电流有效值、相角、功率因数。有功电量数据和无功电量数据通过对功率求积分获得，三相总功率通过对分相功率求代数和求得，三相总功率因数通三相总有功功率和总无功功率计算得出。秒数据输出存放到公共变量缓冲区，供管理程序读取。

3.2管理程序

由于智能电表功能较多，管理软件规模较大，嵌套程序频繁，为使程序易于调试、具有更好的可读性和便捷的维护性，SoC智能电表软件设计采用模块化设计思想，即通过主程序循环调用子程序的工作模式。管理程序主流程如图3所示。

图3管理程序主流程图

电表在初始化完成后，进入主循环，依次调用各功能模块。管理程序功能模块主要有电能计量、需量计量、数据冻结、电量结算、通信、LCD显示、事件记录等。系统上电后应首先初始化系统资源，它大致可以分为MCU初始化、外围功能初始化、功能模块初始化。MCU初始化对MCU的运行模式进行设计，包括时钟选择、CPU运行模式字、内存配置等；外围功能初始化对相关外围设备进行配置，如UART，I2C，SPI，ADC等，同时自动重载定时器，启动电表计量；功能模块初始化则初始化各功能模块的全局变量，为进入主循环后各功能模块正常运行做好准备。

由于计量程序是在中断服务程序中执行，计量数据的更新不受主程序控制，为保证主程序中数据的一致性，在每次执行主循环任务前，首先对电量数据进行同步，将计量程序输出的计量数据拷贝一份，管理程序各功能模块执行时均使用该数据拷贝。与计量程序不同，管理程序的电能计量模块是对计量程序得到计量数据进行管理。在电能计量模块中，按照智能电表的功能要求，根据有功电量和无功电量的方向，将秒输出电量累加到正向或反向有功电量以及四象限无功电量中，再根据当前时间、判断费率，将当前电量增量累加到相应的费率电量数据中。需量计量是对需量周期内的正反向有功功率、四象限无功功率以及组合有功功率、组合无功功率的最大值、平均值进行记录。需量计量采用滑差式，滑差时间为计算需量的时间周期。数据冻结模块根据电表参数中的冻结时间，定时保存各项电量数据。数据结算是对结算周期内的电量增量以及需量数据进行保存，在结算完成后，需量数据清零，结算周期内的电量数据重新开始累加。结算数据是用电费用管理的重要依据。通信程序模块实现电表对外通信的应答。

智能电表通信遵循国家电网公司DL/T 645—2007规约，可实现电智电表内所有数据的抄读和参数设置。LCD显示模块实现电表的数据显示。智能电表显示分为循环显示和按键显示，在没有按键操作时，智能电表自动循环显示电表的各项数据，当有按键操作时，电表响应用户操作，显示指定内容。智能电表的各项数据均可通过LCD显示。事件记录模块记录各类电网事件和电表事件。电网事件包含掉电、失压、失流、缺相、断相、电压不平衡、电压逆相序等各种电网状态异常发生和恢复时间以及发生和恢复时的电表内电量、电压、电流等数据。电表事件包含开盖、参数设置等电表操作发生和结束的时间及各项相关数据。