基于Kinetis微控制器的三相電表設(shè)計(jì)

　　3 系統(tǒng)功能

　　3.1 功能模塊

　　3.1.1 計(jì)量單元

　　本設(shè)計(jì)采用了Kinetis M系列MCU KM14作為計(jì)量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0+內(nèi)核，適用于單芯片1、2和3相電表和流量計(jì)，以及其他高精度測(cè)量應(yīng)用。Kinetis M系列MCU包括一個(gè)由多個(gè)24位Σ-ΔADC組成的強(qiáng)大的模擬前端、多個(gè)可編程增益放大器，還包括低溫度漂移的參考電壓以及一個(gè)相移補(bǔ)償器。

　　該設(shè)計(jì)另一個(gè)特點(diǎn)是高精度的計(jì)量，可以進(jìn)行諧波分析，包括每一個(gè)諧波分量的計(jì)算。內(nèi)嵌的32×32乘法器，可以很好地支持諧波計(jì)量算法和復(fù)雜電能參數(shù)的計(jì)量。整個(gè)設(shè)計(jì)能夠完全滿足國(guó)家電表最高等級(jí)電表的要求。

　　該電表的計(jì)量部分將傳統(tǒng)的4種低功耗模式換成了11種低功耗模式，可以靈活配置。系統(tǒng)的低功耗得益于Cortex-M0+內(nèi)核、飛思卡爾薄膜存儲(chǔ)器(TFS) Flash工藝以及外設(shè)的低功耗設(shè)計(jì)。除了低功耗，該設(shè)計(jì)有加密和安全模塊，符合AES、ECC和RSA的認(rèn)證。

　　3.1.2 主控單元

　　電表的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時(shí)間計(jì)算等一系列處理還需要有核心微處理器，出于綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用了Kinetis L系列KL36作為系統(tǒng)控制器。Kinetis L系列MCU集新型ARM Cortex-M0+處理器的卓越能效和易用性與Kinetis 32位MCU組合的性能、豐富的外設(shè)集、支持功能和可擴(kuò)展性于一身。有了Kinetis L系列，設(shè)計(jì)者不再因限制功耗的問(wèn)題而拘泥于8位和16位MCU。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)并不是從零開(kāi)始，可以采用飛思卡爾的應(yīng)用架構(gòu)、基于濾波器的計(jì)量算法(如希爾波特濾波器)和FFT計(jì)量算法。其中，基于FFT的諧波分析算法在64點(diǎn)的FFT時(shí)，可以支持32次諧波。飛思卡爾提供的算法庫(kù)用來(lái)幫助精確計(jì)算有功、無(wú)功、總功率等。

　　5 通信協(xié)議

　　三相電表數(shù)據(jù)通信接口是為配合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電管理現(xiàn)代化而設(shè)計(jì)的。從前文中，我們可以知道本設(shè)計(jì)有兩路隔離RS-485輸出。

　　RS-485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有兩線制和四線制兩種接線，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。在使用RS-485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線路，從RS-485接口到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢?，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等因素所影響。理論上，通信速率在100 kp/s及以下時(shí)，RS-485的最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)1 200 m。

　　6 仿真實(shí)驗(yàn)

　　該設(shè)計(jì)的目的就是在保持低功耗的同時(shí)達(dá)到高精度，仿真測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有優(yōu)良的測(cè)量精度，并且保持低功耗，如圖2所示。

　　按照?qǐng)D1所示的原理圖設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品如圖3所示，從圖3可以看出，該設(shè)計(jì)體積緊湊，符合國(guó)際要求。