基于飛思卡爾KM系列微控制器單向智能電表方案設計

摘 要： 為推動電能管理行業的創新，為滿足單相系統的功耗和成本要求。飛思卡爾認識到嵌入式控制和集成的連接接口將成為未來智能電網的中心，因而已經開發出專用于智能電網應用的新一代智能微控制器。采用MKM34Z128 MCU設計單相智能電表。該參考設計可為開發者提供完整的即插即用解決方案，以緩解成本和面市時間等問題，同時向一體化智能電網邁進，希望對采用KM系列單片機設計智能電表的設計人員有所幫助。

關鍵詞： 飛思卡爾； 單相電表； 智能電表； 硬件設計

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0125?03

Abstract： To promote the innovation of electric energy management industry and meet the requirement of power dissipation and cost in single phase system. Future smart power grid center with embedded control and integrated interface is realized by Freescale company， so a new generation of intelligent microcontroller specialized for smart power grid application was developed. The MKM34Z128 MCU is applied to design the single?phase smart electric meter， the reference design provides the entire plug and play solution for developers to reduce cost and time， the design moves forward to integrated smart power grid. The design of smart electric meter with KM series single chip will helpful to the designers.

Keywords： Freescale； single?phase electric meter； smart electric meter； hardware design

0 引 言

全球絕大多數的家用電表都是單相電表。借助飛思卡爾的MCU，用戶可以采用簡潔的集成式解決方案，設計出整合高分辨率ADC、PGA、RTC和篡改檢測功能的集成式單相電表。在某些情況下，MK30可用作處理通信協議的應用處理器[1]。此外，該器件還具有用于計量應用的獨立外部模擬前端。本文詳細描述基于KM系列微控制器的智能電表設計方法。

1 計量理論和配置

1.1 能量計介紹

2.2.2 輔助電池

輔助電池提供能量給能量計用以防止主要能量的缺失。當按鍵按下時，輔助電池激活電表并且保持儀表能量充足直到LCD上參數都被瀏覽過，并且按鍵不能再被進一步按壓，輔助電池電路如圖4所示[4]。

PON信號產生于電源提供部分，因此只有在主要電源不工作時輔助電源才能給儀表上電。鎖存信號LATCH的驅動來自MCU，保持著能量計處于開的狀態直到按鈕被按壓。

2.3 顯示界面

LCD可以顯示輸入、輸出、提前、滯后、kW，kVAr，kWh，kVArh，篡改的次數、最大需量、日期、時間、頻率等，顯示界面如圖5所示。LCD沒有一個內置背光燈，需要使用外部的燈使屏幕和信息顯而易見。圖6所示電路是實現 LCD背光燈的電路圖。背光燈從顯示屏的背后照亮了LCD，這將提高它在光線不良情況下的可讀性[5?6]。

2.4 模擬信號控制

信號調節塊被用來把電壓和負載電流調節到芯片需要的電壓水平。信號調節電路圖如圖7所示。

分流電阻安放在相位元件上而電流互感器安放在中性元件上，如果PGA的增益為8的話，500 μΩ的分流器在電流為44 A時會達到飽和。二次電流互感器上的10 Ω負載電阻器當電流值是44 A時達到飽和。對于這些信號來說，像電位平移和外部增益這些信號調節是不需要的。電阻分壓網絡是用來降低電壓到一個可測量的水平。

2.5 打開篡改檢測

當外殼上蓋關閉時，SW2開關連接位置將會打開。這將會被認為是無干擾條件，并且BT1不會通過[R31]負載。當外殼上蓋打開時，SW2開關連接位置將會關閉。這是干擾環境且BT1會通過[R31]負載。當開關SW2關閉時也有計量系統電量的準備。電池電壓通過電阻[R31]處會下降，并且電壓值出現在篡改引腳處。篡改引腳將會被內置RTC檢測到。這種打開篡改即使在沒電的情況下也可以被檢測到。這將會連接備用電池給系統供應電量[2]。圖8給出了開蓋篡改電路圖。

3 軟件設計

軟件設計主要包括測量，數據庫，用戶界面和通信模塊。軟件體系結構運行在基于KM控制器的定制內核上。該控制器采用外部時鐘源和鎖相環產生12.28 MHz的系統時鐘。

軟件主要功能模塊包括：測量模塊，數據庫管理模塊，用戶接口模塊，通信模塊。

3.1 硬件資源分配

表2列出了用于計量應用的單片機資源。

3.2 儀表啟動順序

當完成引導，根據供應情況和喚醒模式（從復位），測量設備花一些時間安定下來進入模式。該軟件首先檢查從調節器的輸出是否為低。如果是，那么沒有電源外部按鍵喚醒儀表，應該允許用戶通過通信讀取或滾動顯示列表。在儀表運行過程中，電源的變化可能導致需要切換到另一個模式。模式的切換流程圖如圖9所示。

4 結 論

本文采用MKM34Z128 MCU設計單相智能電表。該MCU采用低功耗、高性能32位ARM?CortexTM?M0+內核。本文詳細介紹了該芯片設計電表的硬件結構及其軟件設計，希望對采用KM系列單片機設計智能電表的設計人員有所幫助。

參考文獻

[1] 施長浩，陳鵬.基于KM14Z64的三相智能電表方案設計[J].中國集成電路，2014（6）：66?68.

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