基于Kinetis微控制器的三相電表設計

飛思卡爾半導體MCU應用方案部 施長浩

1 概 述

飛思卡爾三相電表方案按照中國電網標準GB/T 17215.322-2008/IEC 62053-22：2003設計。方案采用飛思卡爾最新的基于ARM Cortex-M0＋ 內核的44引腳Kinetis M系列的KM14作為計量芯片，其基于ARM Cortex-M0＋內核100引腳的Kinetis L系列的KL36作為系統芯片。該方案可以簡化設計者的設計流程，降低研發風險及成本，縮短研發時間，確保客戶在此基礎上開發出有競爭力的產品。

2 系統組成

2.1 系統結構

本設計主要由主控部分、液晶顯示模塊、電壓電流采樣模塊、參數測量模塊、電源模塊、通信模塊等構成。系統以飛思卡爾KL36為控制核心，配合高精度、低成本、低功耗計量芯片KM14完成電量參數的測量。

2.2 系統描述

計量芯片KM14基于ARM Cortex-M0＋內核，主頻可達50 MHz，可以用來做諧波分析和計量。其SPI可以與后端主MCU KL36進行通信。有4路獨立的24位Σ-Δ ADC，含有兩個可編程增益放大器，能夠滿足高精度計量。該設計之所以能夠實現三相計量，是因為不但有4路獨立的24位Σ-ΔADC，還有16位SAR ADC，兩者進行相位補償算法以后，就可以滿足三相電表規范的要求。

4個UART接口可以滿足國家電網載波485、紅外和PLC的相關要求。該設計不但可以滿足國家電網的計量規范，也可以滿足國外IEC 62053-22和IEC 62053-23等計量標準。低功耗模式，全速情況下可以實現97μA/MHz，對于停電等情況可以得到很好的支持。

電力計量市場對于ESD和EMC性能要求很高，計量芯片KM14可以達到15 k V的ESD和6 k V的EFT。在整表級，該設計可以做到15 k V的ESD特性。在一些機構（如電科院）的測試中，該設計能夠順利通過電力特性、計量精度和RTC的測試要求。

2.3 系統功能特點

根據以上的描述，該系統的特點如下：

電壓輸入范圍為3×220～380 V；電流輸入范圍為5～60 A；0.5S有用功計量精度；2S無用功計量精度；2～31次諧波分量；±15 k V ESD；±6 k V EFT；電網頻率檢測；5 ppm精度RTC；2路隔離RS-485輸出；8×32段碼式LCD輸出；3路隔離式電脈沖輸出；3路光脈沖輸出；多種防篡改保護；多種外部存儲器。

3 系統功能

3.1 功能概述

電表主要功能分為測量、處理和顯示三大部分。三相電壓、電流信號經電能表采樣電路和計量芯片變換成相應的數字信號后，傳送給主控制器，并通過程序處理求出各相電壓、電流、功率、電量、需量、功率因素等參數，同時識別各相電壓、電流有無異常并記錄相應的失壓、失流狀態。

3.2 功能模塊

3.2.1 計量單元

本設計采用了Kinetis M系列MCU KM14作為計量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0＋內核，適用于單芯片1、2和3相電表和流量計，以及其他高精度測量應用。Kinetis M系列MCU包括一個由多個24位Σ-ΔADC組成的強大的模擬前端、多個可編程增益放大器，還包括低溫度漂移的參考電壓以及一個相移補償器。高精度的內部參考源和可編程增益放大器可以滿足全溫度范圍內的一切計量。豐富的安全特性，包括存儲器保護單元、外部篡改檢測引腳、帶篡改檢測的iRTC和隨機數生成器，在MCU內部以及MCU與電網間提供供應商/用戶數據保護功能。一個低功率段式LCD控制器，支持多達288段和8塊背板。

KM14最大的特點是在滿足基本三相電表功能的基礎之上附帶了5 ppm的RTC，其可以進行自動溫補和精確校準。該設計另一個特點是高精度的計量，可以進行諧波分析，包括每一個諧波分量的計算。內嵌的32×32乘法器，可以很好地支持諧波計量算法和復雜電能參數的計量。整個設計能夠完全滿足國家電表最高等級電表的要求。

該電表的計量部分將傳統的4種低功耗模式換成了11種低功耗模式，可以靈活配置。系統的低功耗得益于Cortex-M0＋內核、飛思卡爾薄膜存儲器（TFS）Flash工藝以及外設的低功耗設計。除了低功耗，該設計有加密和安全模塊，符合AES、ECC和RSA的認證。

3.2.2 主控單元

電表的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時間計算等一系列處理還需要有核心微處理器，出于綜合考慮，本設計采用了Kinetis L系列KL36作為系統控制器。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、豐富的外設集、支持功能和可擴展性于一身。有了Kinetis L系列，設計者不再因限制功耗的問題而拘泥于8位和16位MCU。該系列具有優化的動態和停止電流并提供出色的處理性能，而且還提供多種片上閃存密度以及豐富的模擬模塊、連接功能和HMI外設。

Kinetis KL3x MCU系列增加了一個靈活的低功耗段式LCD控制器，可支持376個段。Kinetis KL3x系列還兼容Kinetis K30（ARM Cortex-M4內核）系列，為遷移到更高性能和實現功能集成提供了解決之道。器件涵蓋了從采用64 LQFP封裝并配備64 KB閃存的型號，到采用100 LQFP/121 MAPBGA封裝并配備256 KB閃存的型號，結合了超低功耗性能，包含一套豐富的模擬、通信、定時和控制外設。這些特性使Kinetis KL3x系列非常適用于需要顯示功能的應用，如恒溫器、流量計和智能電表。

此外，在該設計中KL36 MCU和片上硬件RTC一起只需要一個外置的32 k Hz晶振就可以驅動，節省了外部元器件。

4 軟件設計

該設計的軟件開發并不是從零開始，可以采用飛思卡爾的應用架構、基于濾波器的計量算法（如希爾波特濾波器）和FFT計量算法。其中，基于FFT的諧波分析算法在64點的FFT時，可以支持32次諧波。飛思卡爾提供的算法庫用來幫助精確計算有功、無功、總功率等。

本設計用到的其他軟件庫如下：

①ZCD：零交叉檢測，用于計算電源線頻率。

②ADC采樣：AFE（SD ADC）用于采樣電流，SAR ADC用于采樣電壓，補償技術可確保電壓和電流同時采樣。

③RTC補償庫：RTC輸出精度在整個溫度范圍內均達到±5 ppm。

④計量表與控制MCU之間的SPI：按下按鈕之類的信息，KM14通知KL36電能信息，KL36可能反饋有用信息。

⑤段式LCD顯示：顯示有功功率和無功功率值。

5 通信協議

三相電表數據通信接口是為配合電力系統實現用電管理現代化而設計的。本設計有兩路隔離RS-485輸出。RS-485采用差分信號負邏輯，-6～-2 V表示“0”，＋2～＋6 V表示“1”。RS-485有兩線制和四線制兩種接線，現在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節點。在RS-485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。在使用RS-485接口時，對于特定的傳輸線路，從RS-485接口到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸的波特率成反比，這個長度數據主要是受信號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，RS-485的最長傳輸距離可達1 200 m。

6 仿真實驗

該設計的目的就是在保持低功耗的同時達到高精度，仿真測試結果表明，該設計具有優良的測量精度，并且保持低功耗，如圖1所示。

圖1 測量仿真圖

最終產品如圖2所示，體積緊湊，符合國際要求。

圖2 三相電表實物圖

7 適用范圍

智能三相電表是實施智能電網的重要組成部分，該三相電表可以用于家庭和商業計量應用，其可以測量有功能量、無功能量和視在能量，并具有閃存升級、數據連接和安全功能（包括篡改檢測）。