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1、 www.ed- www.ed- 基于新型基于新型Cortex-M3内核内核STM32的三相多功能电能表解决方案的三相多功能电能表解决方案 武汉力源信息技术有限公司 技术经理 孙树印 应用工程师 张亚凡 李扬 概要概要：本文介绍了一种高性价比的三相电能表解决方案，以新型 CortexM3的 32 位 ARM 微处理器为核心，搭配高集成度的六通道 16 位 ADC，实现三相电能表的参数测量与计算，包括相电流、电压，总功率、无功功率、有功功率，功率因数及电能等。本文所述方案是三相电能表的完整方案，包括了信号采样、通信、基准、时钟、电源等配合电路，可直接应用于工业三相电能表，以及电力终端，无功补偿，
2、电机保护等应用，是目前行业中最具优势的设计方案。 关键字关键字：ARM，CORTEX-M3，STM32，AD73360，三相电能表，功率计算 背景背景 电能表作为电能计量的基本设备，受到国家电力部门的长期重视，电能表生产企业更是不遗余力地寻求设计与开发性能俱佳且成本更低的解决方案。 目前国内的电能表设计已经走过了由 8 位MCU 向通用DSP甚至专用 DSP 的变革，通用 DSP 的应用方案的劣势在于 DSP 的专业应用和嵌入程度不够深的问题，成本偏高；而专用 DSP 功能相对固定，这样给电能表设计和生产厂家带来功能差异化空间不足的困难。基于ARM 的方案也已经出现，但是适合应用的 ARM7
3、TDMI 在性能上不尽人意，同时外设资源不足；而更高端的 ARM9 系统的复杂程度很高，成本也较高。选择一颗合适且低成本的微处理器日益成为电能表行业的关键所在，直到意法半导体公司（STMicroelectronic 公司，下称 ST）STM32 的出现为电能表设计的专门化和定制化带来了崭新的机遇和空间。 一、关于一、关于 CORTEXCORTEX- -M3M3 与与 STM32STM32 2005 年 ARM 公司发布其最新一代 ARM v7 内核，命名为 Cortex，同 ARM7/9/10/11 相比在架构上有了革命性突破，性能上更是本质的飞越，Cortex 系列包含三个系列，-A/-R/
4、-M。Cortex-M3 特别针对功耗和价格敏感的嵌入应用领域，同时具备高性能，它采用高效的哈佛结构三级流水线，达到1.25DMIPS/MHz， 在功耗上更是达到 0.06mW/MHz。 Cortex-M3 使用 Thumb-2 指令集， 自动 16/32位混合排列，具有很高的代码密度。单周期的 32 位乘法以及硬件除法器，保证 Cortex-M3 的运算能力有大幅提高，在一些对计算能力要求相对较低而嵌入式要求相对较高的场合，STM32 就具有取代传统 DSP的潜力甚至优势。Cortex-M3 包含嵌套向量中断控制器 NVIC，中断响应速度最快仅 6 周期，内部集成总线矩阵，支持 DMA 操作
5、及位映射。 STM32 是 ST 公司在业界最先推出的基于 ARM Cortex-M3 内核产品，继承了 Cortex-M3 内核的优良血统， 同时增加了 ST 高性能的外设资源， FLASH、 SRAM 存储器， 丰富的串行通信接口， 如 IIC、 SPI、 USART、CAN、USB 等，以及 12 位的 ADC 和 DAC 模块，支持外部存储器访问的灵活的静态存储器控制器 FSMC。 二、基于二、基于 STM32STM32 的的电能表电能表方案方案 www.ed- www.ed- 根据电能表的功能和误差精度的需求，我们选用了 ST 公司 STM32 的增强型系列 STM32F103xx，
6、最高工作频率为 72MHz。在程序设计上除了完成快速数据处理工作以外，还针对系统非线性失真进行了修正和补偿。 电能表系统组成框图如图 1 所示： （一）（一）采集数据处理与计算采集数据处理与计算 在实际应用中， 电力信号通过互感器采集到电能表中， 通过一个 6 通道 16 位模拟前端处理器(AD73360)进行 A/D 转换，转换成数字信号并传输到 STM32 中。AD73360 是 6 通道同步采样的 - ADC 器件，它内置了基本型电压基准及通道内置独立的 PGA（可编程增益放大器），非常适合三相电流电压信号的同步采样，在小信号的时候，通过调整通道 PGA 可以获得合适的动态范围从而保证微
7、弱信号的计量精度。电能表数据采集框图示于图 2。 电压电流输入信号首先需要 RC 滤波网络滤波和数据采样，然后进行 A/D 转换。AD73360 有独立的时钟源， 可配置为自动数据采集与发送模式， 通过 SPI 总线不断的将数据传向 STM32。 STM32 内的 Cortex-M3内核对输入的数字信号进行处理，完成数字滤波，过零点检测，得到基本的电流电压数据，经过时间积分计算和转换得到相应的电能计量。 （二）采样电路和滤波网络（二）采样电路和滤波网络 由于被采样信号为高电压信号和大电流信号，我们需要对被采样信号做高保真转换为双极性的电压信号以便用AD电路离散化处理， 而AD73360是单电源
8、供电模拟前端， 所以我们需要令输入信号位于AD73360微处理器 STM32F103 采样滤 波网络 AD 变换 AD73360 基准参LCD 显示 实时时通信 电路 电源管理 FRAM 图 1 电能表系统组成框图 图 2 电能表数据采集框图 www.ed- www.ed- 的动态范围的正中。采用的方法是：定义 ADC 工作电压为 5 伏（动态范围 05V），选择参考电压 2.5 伏，将 AD 差分输入的负端直接接到参考电压输入，差分输入的正端接被测信号。具体电路如图 3。 在实际电路中，相电流信号经 CT 变换为低电压信号，相电压则通过高精度电阻网络分压得到线性的低电压信号，信号幅度范围需保
9、证在 5V 之内。 （三）（三）AD73360AD73360 与与 STM32STM32 的接口的接口 因为 AD73360 产生的基础数据总量庞大，为了尽量少的占用 CPU 时间，需要使用 STM32 内部的硬件SPI 和 DMA 单元实现数据传输，而 STM32 的内核根据 DMA 的传输结果来批量获取基础数据并启动数据处理程序。硬件连接关系如图 4 所示。 由 STM32 的 GPIO 控制 AD73360 的 SE 和 RESET，并用一个外部中断输入脚来监听帧同步信号，这样才可以用程序来保证数据帧内容的字节对应关系。 在 STM32 的硬件设置程序中，需要关闭 SPI 的所有中断，设
10、置 SPI 为从模式，并选取一个 DMA 通道与之协同工作，自动将 SPI 从模式收到的数据保存在指定的内存地址。为了令 AD73360 正确采集数据，还必须根据使用要求配置AD73360 的内部寄存器， 令 AD73360 处于数据模式并主动向STM32 发送采样数据。 三、主要电能参量的计算三、主要电能参量的计算 图 3 采样电路与滤波网络 图 4 AD73360 与 STM32 的接口电路 www.ed- www.ed- AD73360 是固定周期采集，我们使用的是 150Hz 或 160Hz，即每周期采集 150/160 点，为此 AD73360采用的时钟是 6.000MHz 或 16
11、.384MHz， 系统中对 AD73360 的配置为 DMCLK 分频因子为 2048。 AD73360是差分采集，很方便进行过零点检测和直流分量调节，以保证信号幅度对称，从而减小系统误差。 电压测量(有效值)计算式： nkkunU121式中：U电压有效值，n每周期采样点数，ku电压采样值 电流测量(有效值)计算式： nkkinI121式中：I电流有效值，n每周期采样点数，ki电流采样值 在得到的电流电压有效值基础上计算出总功率 S（即视在功率），通过对时间积分的电流电压积得到有功功率 P，无功功率 Q 是总功率 S 与有功功率 P 之差，功率因数是有功功率 P 与总功率 S 的比。 对于单器
12、件和三相四线星形负载的有功功率和无功功率的计算汇总如下： 单元件有功功率计算式： nkkkiunP11式中： P单元件有功功率，n每周期采样点数，ku元件上电压采样值，ki元件上电流采样值 单元件无功功率计算式： niiiiunQ1)(1式中：Q单元件无功功率，n每周期采样点数，iu元件上电压采样值，)(ii元件上电流采样值(90 度移相后) 三相四线三元件有功功率计算式：wvuPPPP式中：P三相有功功率，),(wvukPk各相有功功率 三相四线三元件无功功率计算式：wvuQQQQ式中：Q三相无功功率，),(wvukQk各相无功功率 四、非线性失真的补偿与修正四、非线性失真的补偿与修正 ww
13、w.ed- www.ed- 电信号采集过程中可能存在的电磁元件（CT 或 PT）会造成采集信号和实际信号之间的相位失真以及线性失真。 为了补偿和修正这些失真带来的误差， 还需要使用分段矫正和补偿的方法。 例如， 根据 CT （PT）的相移曲线选择合适的两个点将整个量程分为三段，在测量值分处不同的段时，分别调用不同的相移参数对测量值进行相位补偿。 线性度补偿参数和相位补偿参数的获取方法（校准过程）如下： 1、 零偏校准：令所有通道输入为零，分别记录各通道零点位置。 2、 电压校准：令所有电压通道输入值为标准电压值 220V（RMS），记录各相电压校准参数。 3、 电流校准：令所有电流通道输入值为
14、分界点电流，记录各通道小电流测量段校准参数。再令所有电流通道输入值为最大值，分别记录各通道大电流测量段的校准参数。 4、 相移校准：分别令电流电压通道输入相位相差 60 度感性，并且电流通道的电流值处于相位补偿段的中间点，并根据有功电能误差来求取该补偿段的相位补偿参数。 5、 求取的全部补偿参数存储在非易失存储器中，例如 STM32 的 FLASH。 五、电能表配合电路五、电能表配合电路 除了测量计量功能外，电能表还需要实现通讯，存储以及时间管理功能，具体的程序和做法在此不再赘述，但为了实现完整的电能表功能，其周边器件的选择却很关键。 实时时钟电路实时时钟电路：Intersil 的 ISL12
15、022M 是内置时钟晶体的高可靠性全自动温度补偿 RTC 芯片。该 RTC依靠工厂预校准，和全工业级温度范围的自动温补来保障电子产品全生命周期的计时精度，免除了电表的时钟校准的工艺过程，降低了生产成本。该 RTC 还具有电池状态监测、上电/掉电时间戳记录功能和内置数字温度传感器功能，更可以用在除电表外的综合电力终端设备中。 电压参考基准电压参考基准：Intersil 的 ISL21009 系列是低噪声，高稳定度的精密电压基准，用于在 AD73360 内置基准的稳定度（50ppm）不够的情况下，为测量系统补充提供更高稳定度（5ppm）的参考电压。 电源管理电路电源管理电路：ON Semiconduction 的 NCP3063 是低成本、高效率的 DC/DC 稳压器，它对外围电路要求简单，输入电压范围宽达 40 伏。而电能表往往工作在很宽的输入电压范围条件下，因此，NCP3063 非常适合用在电能表工频变压器后面做 5 伏或 3.3 伏的直流稳压。 通信接口电路通信接口电路：Intersil 的 ISL3152E 是
