基于RN8302的数字化三相多功能电力仪表设计
2015-07-18力张
俞 力张 飞
（1.郑州祥和集团有限公司，河南 郑州 450000；2.郑州华力信息技术有限公司，河南 郑州 450000）
基于RN8302的数字化三相多功能电力仪表设计
俞 力1张 飞2
（1.郑州祥和集团有限公司，河南 郑州 450000；2.郑州华力信息技术有限公司，河南 郑州 450000）
本文设计并实现了一种三相多功能电力仪表。采用高精度电能计量芯片RN8302对当前模拟量进行采集和计算，并结合高性能Contex-M3内核处理器STM32F103RC作为事件处理内核，从而实现了仪表的测量，计算，显示，通讯，输出，告警等一系列电气自动化功能。RN8302作为一款高精度的电能计量芯片大大的简化了仪表设计中模拟电路的设计，提高了产品的可靠性和精度。其内部的DSP运算内核承担了大部分的运算任务，为处理器实现更为多样化的功能节省了软硬件资源。该设计兼备了高性能的DSP数据处理能力和ARM的事件处理能力，不仅从测量精度上能够满足要求，而且从功能上也更加灵活、更加多元。
RN8302；Contex-M3；STM32F103RC；数字化；电力仪表
1 前言
电力仪表被广泛用于输变电系统的各个环节，随着配电配网方式的不断升级和改进，老式模拟仪表已经不能够满足目前配电自动化的要求。而伴随半导体行业的不断发展，新型的数字化多功能电力仪表应运而生，其功能也在不断的增加，不仅可以显示当前电量，而且能够根据配电特点对历史运行情况进行全面的分析、记录，并能够借助于计算机技术，对所记录和存储的数据进行多分析。将单片机与电能计量芯片配合使用将成为目前的主流设计思路。而本文中采用高性能A 理器和高精度电能计量芯片来实现仪 各种功能，借助于ARM强大的事件处理能力，能够更加完善对数据的分析，更加友好的对数据的显示，更加全面的对数据的存储和上传。
2 整体结构设计
整个仪表的实现主要由电源，模拟量数据采集，模拟量输出，开关量输入/输出，核心数据处理，人机交互和通讯等组成。其中电能计量芯片主要用于模拟量输入的采集和电能脉冲的输出。ARM将模拟数据采集和计算结果读取并作进一步的分析，并存储分析结果，同时通过按键操作对人机交互界面进行控制，并根据通讯规约的设定对内部所存储的数据进行上传。系统结构图见表1。
3 硬件设计
3.1 模拟数据采集设计
采用RN8302作为模拟信号的采集单元，其内部直接集成了运放电路，AD转换，计算内核，数据接口等。能够在单个芯片上实现，弱信号的变送，AD转换，数字化校准，测量计算，电能累计等功能。其测量非线性误差在0.1%以内，能够很好的满足国家电网要求的0.5S和0.2S级多功能电表的要求。其设计思路为，将二次信号（380V/5A）经过微型高精密变送器变为800mV的交流电压信号，经过防混叠阻容滤波后送入RN8302。RN8302会按照初始化好的参数对模拟信号进行放大，采样，计算，输出。CPU通过RN8302上集成的SPI接口对其内部各种运算结果读取。输入的模拟信号有三相电压和电流。接线方式有两表法和三表法。同时RN8302的脉冲电度输出接口可连接到数字信号输出接口，实现脉冲电度输出。（脉冲常数通过仪表设置实现）
3.2 核心数据处理单元
核心处理单元主要由以下及部分组成：核心处理器，EEPROM和RTC。核心处理器采用STMicroelectronics公司的ARM处理器STM32F103RC，这是一款ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达256K字节的闪存和48K字节的SRAM），并具有丰富的增强I/O端口和外设的处理器。处理器通过其上面的SPI接口从数据采集单元（RN8302）中读取当前电压，电流，功率，功率因数电度累加等。将读取的数据做历史分析，并存储分析结果。EEPROM采用Atmel公司的AT25系列EEPROM存储芯片AT25512。它是一款比较常用且经济的可编程电擦除只读存储器，操作简单，使用方便，性价比高，可靠性好，读写速度快。其内部集成了64K的存储空间，不仅能够满足目前数据存储的要求，并且留有部分扩展，能够最大限度地满足后期扩展需要。RTC实时时钟采用DS1302作为时钟芯片结合外部晶振和纽扣电池来实现。DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
3.3 电源
电源部分采用隔离式小功率开关电源，拓扑结构采用反击式，开关电源芯片采用LNK364。LNK364是Power Integrations公司的一款小功率、低成本、高效率开关电源控制器，其在一个芯片上包含了700V的功率MOSFET、振荡器、开关控制、高压切换的电流源、频率抖动、每个周期都检测的电流限流及热关断电路。启动及工作时的功率直接来自于漏极引脚，无需使用偏置绕组及相关电路。设计输入电压90-265VAC，输出5V 500mA、12V 100mA。
表1
3.4 通讯接口
485通讯接口通过处理器的通用串行通讯接口（USART）外设引出，经过光耦隔离后送入485接口芯片（MAX485），由485接口芯片将TTL电平转化成差分信号，实现两线制485通讯。
3.5 开关量输入输出
设计4路开关量输入和2路开关量输出。
结语
设计中采用了一体化采样计算的智能电能计量芯片RN8302，使得设计简化，外围器件减少，提高了产品的可靠性。采用STM32F103RC作为管理主控器件，其内部丰富的外设和外部接口使设计产品更加灵活，其内丰富的内存空间为制作更加人性化的人机接口提供了足够的资源。
[1]锐能微.RN8302用户手册V1.1[Z].
[2] STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器参考手册V10_1[Z].
[3] STM32F103xCDE数据手册（英文第5版）[Z].
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