基于F28M35X的数字化电能表的设计

龚 丹，祝宇楠，田正其，周 超，刘 建

(1.国网江苏省电力公司 电力科学研究院，南京 210019; 2.国家电网公司 电能计量重点实验室，南京 210019)

基于F28M35X的数字化电能表的设计

龚 丹1,2，祝宇楠1,2，田正其1,2，周 超1,2，刘 建1,2

(1.国网江苏省电力公司 电力科学研究院，南京 210019; 2.国家电网公司 电能计量重点实验室，南京 210019)

根据IEC61850标准，设计了一款基于F28M35X双核CPU为核心，结合光纤采样模块接口、PHY芯片等硬件组成的数字化电能表；F28M35X芯片将TI的具有同类领先性能的C28x内核的DSP及控制外设与ARMCortex-M3内核及连接外设组合起来，以提供一种分区明确的架构，可在单个具有成本效益的器件中支持实时控制和高级连接，芯片的DSP内核的速度能达到150MHz，ARM内核的速度达到100MHz,拥有EMAC接口、串口、SPI接口等各种数字化电表所需的外设；能够满足数字化电能表需要的各种记录以及数字信号计算的需求；同时阐述了主要功能模块的硬件设计以及原理，给出了双核芯片两个软件设计以及计量算法的主要流程，并对电能表进行基本误差测试，结果表明本设计正确可靠，具有一定实用价值。

F28M35X；IEC61850；数字化电表；电子式互感器

0 引言

IEC61850标准是全世界唯一的变电站网络标准，它的出现从根本上解决了变电站设备间通信速度慢，可靠性低和接口通用性差等一系列诟病，它为数字化变电站的实施提供了理论依据。基于IEC61850的数字化电能表是一种特殊的数字化电能表，它将自身的通信接口规范于数字化变电站通信协议(IEC61850)这个框架之下，使之具有数字化变电站中智能设备的一切特性，对变电站中的一切电气设备进行功能分层和模型抽象，应用面向对象的自我描述技术，完全彻底地实现设备间的互操作[1]。随着数字化变电站通信技术的全面推广，基于IEC61850的数字化多功能电能表将得到全面的应用。

本文以一个DSP+ARM的双核CPU为核心，结合光纤采样接口、PHY芯片等硬件设计了一款符合IEC61850的数字化电能表。

1 F28M35X芯片特点

F28M35X芯片是由TI公司推出的新型 Concerto32位微控制器，该芯片将 TI 的具有同类领先性能的 C28x内核的DSP及控制外设与 ARM Cortex-M3内核及连接外设组合起来，以提供一种分区明确的架构，可在单个具有成本效益的器件中支持实时控制和高级连接，芯片的DSP内核的速度能达到150 MHz，ARM内核的速度达到100 MHz,拥有EMAC接口、串口、SPI接口等各种数字化电表所需的外设[3]。能够满足数字化电能表需要的各种记录以及数字信号计算的需求，设计相对比较方便。

2 系统整体设计

数字化电能表与传统的多功能智能电表相比，主要的区别是数字化电能表的采样不是传统的通过AD采样，而是通过光纤发过来的IEC61850-9-2结构的以太网帧提取有关的电压电流采样值的数字信号，通过DSP自己运算得出相关的电量、功率、电压、电流等值。由于F28M35X是双核芯片，因此本电表的整体设计是Cortex-M3内核部分处理通讯以及数据管理的工作，C28x内核处理电能计量部分的工作，在本方案中只需要一个芯片就能完成数字化电能表的功能。整个电表的基本架构如图1所示。

图1 系统的整体框图

3 硬件设计

在本文中，考虑到与传统电能表的不同，硬件部分的设计分成光纤以太网收发器电路，PHY芯片的选型设计两个部分。

3.1 光纤以太网收发器电路

在数字化电能表的实际应用过程中，光纤的接口有两种，分别是ST口和SC口。在本设计中，硬件设计为两种接口通用，可以根据客户的实际需要进行配置，光纤以太网收发器电路中收发器芯片ST口选用的是Agilent公司的AFBR-5803ATZ，SC口选用的是E-TR-3L01310SCA4，由该芯片组成的光纤以太网收发电路如图3所示。它完成了将光信号的以太网数据转换成电信号的功能以及转换好的数据发送到以太网接口电路中去。

在光信号转换为电信号设计中，为了确保光纤通信的速率及抗干扰能力，线路的阻抗以及合适的线宽是两个非常重要的参数，在本设计中选用的是100 M光纤，在光信号转换成电信号后，线路的匹配阻抗要求为100Ω(±1Ω)，线路的匹配阻抗和PCB基板的材料、厚度、铜箔的厚度、线宽、线间距相关，PCB板电气线路设计如图2所示，阻抗和上述参数的关系如式(1)：

(1)

式中,H1为采用的PCB基板的厚度；Er1为采用的PCB；基板的介电常数； W1、W2为设计的差分线的线宽；S1为设计两个差分线间距(m)；T1差分线在PCB基板上铜箔的厚度。

图2 PCB板电气线路设计图

根据我们PCB设计的规范要求，我们选用PCB板基板的厚度为 1.6 mm，介电常数为 4.2，线宽0.22 mm，线间距 0.18 mm，铜厚 0.05 mm，计算结果R=100.72 Ω。

由计算结果可知，设计满足匹配电阻的要求，在最后的产品测试中，光纤收发的抗干扰能力及速率全部满足设计要求。

3.2 以太网接口电路选型设计

以太网接口电路采用的芯片是TI公司支持IEEE1588标准的DP83640物理层芯片。DP83640通过串行控制接口与上层介质访问控制层(MAC)进行通信。串行控制接口由管理数据时钟(MDC，management data clock)与管理数据输入输出(MDIO)组成。通过简化媒体独立接口(RMII)得到的输出数据TX RMII经DP83640的物理层发送模块输出为TD+/-，而输入数据RD+/-经DP83640的物理层接收模块后发送到RMII接口上成为RX RMII数据[2]。

4 系统的软件设计

由于传统数字化电能表所含的信号调理电路和A/D转换电路已移至电子式互感器中，基于IEC61850的数字化电能表测量误差的主要来源为测量计量算法的精度[4]。

系统的软件由DSP和ARM两个部分组成，两部软件需要互相协调，两部分软件通过IPC函数以及共享RAM进行数据的交互。ARM部分作为主处理器主要负责通讯，显示，存储等功能，而DSP部分的主要任务是对RAM部分传过来的采样值进行计算，在程序设计的时候开辟两个共享RAM区域，一个是只能ARM内核进行写操作，另一个是只能DSP内核进行写操作。

图3 光纤以太网收发器电路

4.1 ARM部分软件设计

ARM部分的软件功能设计是：通过EMAC接口接收光纤发送过来的以太网数据帧，按照61850-9-2格式进行解析，解析完成后把符合要求的电压、电流的采样值放入共享RAM中，当发生数据丢帧时，通过正弦曲线的的修正方法进行修正[5]，通过发送IPC中断命令通知C28核来取数据进行计算，当需要通信以及显示的时候，把DSP计算好的那些放在DSP写操作的共享内存中的数据取出，发送给显示、通信、存储模块，ARM部分软件设计如图4所示。

图4 ARM软件设计流程

4.2 DSP部分软件设计

DSP部分的软件设计主要是接收ARM部分发送过来的IPC中断函数，当有IPC中断的时候，去从共享RAM中把数据取出，对电压、电流的采样值进行判断，是否符合要求，并且进行数字滤波。接下来对采样的数据进行处理，包括电压值的累计，电流值的累加，有功功率的累加，无功功率的累加，其中无功功率的累加采样的是IIR型希尔伯特数字滤波器对电压、电流进行90°的移相，能满足在整个频率带上电压、电流都移相了90°。当判读到前后两次电压采样数据发生数据过零的时候，置过零标志，对有效值进行计算。另外需要处理的是能量累加，累加完以后对电量进行处理，当有功能量累计满一个脉冲的时候，有功脉冲IO口发出信号，同时累计的电量减去一个脉冲的能量，同样的方法处理无功电能的计算，软件设计流程如图5所示。

图5 DSP软件设计流程

5 测试结果

通过专业的数字电表的校表台体，电压规格为3*57.7/100 V,电流1.5～6 A，常数20000，本方案设计的数字化电能表的有无功误差测试结果如表1所示。

表1 有功误差

表2 无功误差

根据上表的测试结果，本方案设计的数字化电能表精度满足0.2 s级的要求

6 结语

本方案所设计的数字化电能表，满足一个芯片能实现数字化电能表的要求，设计比较简单，经过各种标准进行各种测试，功能满足61850数字化电能表要求，性能安全可靠，能够满足现场运行的要求。

[1] 胡小波. 基于IEC61850的数字化多功能电能表的研究[D].东营：中国石油大学，2010.

[2] 王 康，胡永辉，何在民.基于DP83640硬件辅助的lEEE1588研究及实现[J].时间频率学报，2011，34(1)：1-8．

[3] Texas Instruments．Concerto F28M35x Technical Reference Manual[Z]. Literature Number：SPRUl-122B，2012．

[4] 章坚民,蒋世挺，金乃正,等.基于 IEC61850的变电站电能量采集终端的建模与实现[J].电力系统自动化，2010,31(11):67-71．

[5] 尹建丰,施爱博,季海涛,等.基于正弦曲线的数字化变电站采样值数据缺失的修正方法[J].自动化与仪器仪表，2014(1):116-118．

[6] 王梦玲，邱益农.新型单相多功能电能表的设计[J].江苏电机工程，2012(1).

Design of Digital Input Electricity Meter Based on F28M35X

Gong Dan1,2, Zhu Yunan1,2, Tian Zhengqi1,2, Zhou Chao1,2, Liu Jian1,2

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 210019,China;2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019,China )

According to IEC61850 standard, a digital input electricity meter using the dual-core CPU F28M35X as the core, the optical sampling module interface, and PHY chip is designed. F28M35X puts together the DSP with industry-leading core with its control peripheral circuit, as well as the ARM Cortex-M3 core with its peripheral circuit, to provide an explicit frame, which can support real time control and advanced connection with cost-effective devices. The speed of the DSP core of the chip can reach 150MHz, and the one of the ARM core can be up to 100 MHz. It has EMAC interface, serial port, SPI interface and the other peripheral devices that digital input electricity meter needs. It can provide all kinds of records that digital input electricity meter needs and can satisfy the needs of the calculation of digital signals. The hardware design of the main functional modules and their principles are also introduced. The two software designs of the dual-core chip and the main procedure of the algorithm of measurement are also provided in this paper. A test of basic errors of the meter is given, which demonstrate that this design is correct, reliable, and practical.

F28M35X；IEC61850；digital input electricity meter；electronic instrument transformer

2016-07-04；

2016-08-10。

龚 丹(1979-)，男，江苏南通人，高工，主要从事电力电子计量检测技术方向的研究。

1671-4598(2017)02-0228-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

A