基于Cortex- M0＋的四通道多功能智能电表设计※＊

2015-07-02钱益辉孙超杰杨赛女裘君

单片机与嵌入式系统应用 2015年10期

钱益辉，孙超杰，杨赛女，裘君

（浙江大学宁波理工学院信息学院，宁波315100）

引言

电力公司在长期的供电服务中发现，部分企业电能利用效率低、企业成本过高。事实上只要适当调整用电方式，就能降低经营成本，提高终端用电效率，同时也能优化电力资源配置，促进社会节能减排。为此本文设计了一个面向企业、楼宇的智能电能检测系统，该系统基于Cortex-M0＋芯片设计电表控制主板，通过高精度电能质量分析芯片ICADE7858实现三相电能信息采集和分析，实现了4路三相电源的电能信息采集与存储，并设计了无线蓝牙、RS485等接口。实现了下位机采集模块与PC机或手机的数据传输，通过PC上位机软件和手机APP软件，向用户提供各类实时用电数据。

1 组成与设计原理

基于Cortex-M0＋的智能电能检测系统功能结构框架如图1所示。

图1 智能电表功能框图

图2为系统结构框图，考虑到企业、楼宇对于电能信息采集的应用需求，通常包含多路三相电路，所设计的整个系统包含4个检测节点、1个采集节点和上位机。其中，检测节点采用电能质量分析芯片ICADE7858设计而成，并通过SPI总线与采集节点实现数据传输，采集节点采用ARM Cortex-M0＋内核的MKL25Z128VLK4实现，负责数据的集中采集、处理以及传输，通过RS485和无线蓝牙串口实现数据上传至上位机。

图2 基于Cortex-M0＋的智能电表结构框图

系统的工作流程如下：系统初始化后，检测4个检测节点的完好性并反馈信息，然后进入数据采集阶段。各个检测节点检测各路电压电流的数值和相位，并且经过内部运算，得出三相有功/无功/视在功率，MCU通过高速数字隔离器芯片实现与检测节点的数据传输，同时通过RS485和无线蓝牙将采集到的各个数据传给上位机，上位机显示数值并保存数据和打印结果。

所设计的产品电压/电流采样精度为0.2%，有功和无功功率误差小于0.5%，相位角测量误差小于0.3°。

2 系统硬件设计

2.1 微控制器

MKL25Z128VLK4是基于ARM Cortex-M0＋的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。工作电压为1.71～3.6 V，工作频率为48 MHz，外设包括16 KB数据存储器、128 KB程序存储器、高速12/16位模数转换器、2个8位的SPI模块、2个I2C模块、1个低功率UART和2个UART模块、以及1个内部看门狗监控，具有强大的定时模块，支持通用/PWM/电机控制功能等。

飞思卡尔Kinetis系列MCU，其功耗模式最多可达11种之多，可满足客户对微控制器各种低功耗的配置要求，同时支持多种唤醒方式，方便客户使用。

2.2 电源模块

设计的智能电能检测系统电源为220 V交流输入，先通过高性能稳压模块，将交流220 V转变为12 V及5 V电压输出，考虑到采集对于电压的稳压需求，通过线性稳压器NCP1117实现5 V和3.3 V稳压电压的输出。电源模块电路图略——编者注。

2.3 三相多功能电能计量IC

三相多功能电能计量IC ADE7858芯片是一款高精度、三相电能测量IC，采用串行接口，并内置二阶Σ-Δ型ADC、数字积分器、基准电压源电路以及所有必须的信号处理电路，内部具有一个固定功能数字信号处理器（DSP），可以对总有功、无功和视在功率测量以及有效值进行计算，该芯片适合测量各种三线、四线的三相配置有功、无功和视在功率，各相均具有有效值失调校正、相位校准和增益校准等系统校准功能。

ADE7858具有6个模拟输入，构成电流和电压通道。根据系统需要，6个模拟通道分别为3路模拟电流信号和3路模拟电压信号。其中三对电流通道采用全差分输入方式，分别为IAP和IAN、IBP 和IBN、ICP和ICN。通过霍尔电流传感器CT将采集到的感应电势VH传输到对应通道中，电流采集电路如图3所示。

图3 电流采集电路

3个电压通道采用单端电压输入方式：VAP、VBP和VCP。通道电压通过电阻分压方式，将单端输入端电压相对于VN的最大输入电压为±0.5 V。电压分压采集电路如图4所示。

图4 电压分压采集电路

多功能电量芯片的A/D转换基准电压采用1.2 V超低功耗、高PSRR基准电压源ADR280芯片实现，并输入到电量芯片中。每块芯片外接16.384 MHz晶振，通过SPI总线和数据采集芯片进行通信，电量采集芯片外围电路设计如图5所示。

2.4 数字隔离模块

图5 电量芯片电路设计

电量信息采集电路中，各个检测节点均由三相电压直接接入，为了保护220 V高压不侵入到数据采集节点中，采用ADI公司iCoupler技术的四通道数字隔离器ADu M1411，该芯片可以将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征，可以实现双向通信和最高达10 Mbps的数据速率。

在设计实现中，系统将片选信号、SPI数据总线进行数字隔离，实现了检测节点和采集节点的信号隔离，实现了数字电路信号和模拟电路信号的相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用，保证了检测检点和采集节点间的数据稳定。数字隔离电路如图6所示。

图6 数字隔离模块电路图

2.5 通信模块

数据采集节点通过RS485和无线蓝牙实现与上位机的通信，通信遵循简单的MODBUS RTU协议标准，可以对检测节点的增益寄存器进行设置，对检测节点采集的电压、电流、有功功率、无功功率等数据进行读取。通过SP485E芯片，把串行数据转化为RS485数据，其电路如图7所示。

由于KL25Z系列单片机没有片上蓝牙控制器，因此选用了TI CC2540蓝牙模块，该模块基于2.4 GHz频段，板载天线，微安级工作电流，遵循蓝牙V4.0版本规范，可以直接和苹果、安卓、PC等设备进行数据通信，为实现无线上位机监控和无线抄表提供了支持。蓝牙模块实现电路如图8所示。

图7 RS485通信接口电路

图8 无线蓝牙接口电路

3 软件设计

3.1 采集节点软件设计

采集节点在接收到上位机或手机APP发出的采集信息指令后，给对应的检测节点地址发送指令，得到回复后把收到的各个检测节点的数据上传给上位机显示。如果某个地址没有回复，就上传该地址为空的信息。采集节点与上位机的连接是用RS485接口和蓝牙把数据传输给上位机。采集节点主程序流程图如图9所示。

主程序首先实现对系统（如定时器、串口、中断系统等）的初始化，并接收来自上位机的命令。如果判断出不是采集命令（如数据查询），则响应相应的指令，若判断出是数据采集命令，则进行数据采集、处理、传输等；若判断出上位机没有发出相应命令，则系统直接进行数据传输。系统状态的自检和状态指示功能放在定时器中断程序中执行。

3.2 上位机软件设计

上位机软件分成PC平台和智能手机客户端两部分，其中PC平台软件用来实现智能电表的数据校准、实时数据采集、存储功能，通过引入数据库，将智能电表采集数据加入到系统中，实现数据存储，为下一步的数据判断和分析提供处理依据。智能手机客户端通过无线蓝牙通信，可以实现工作人员的现场工作状态诊断以及服务器数据查询功能，实现智能电表信息的自动采集和网络化。