基于Kinetis微控制器的三相電表設計

1 概述

目前，高效能源管理和輸配電方面存在各種挑戰，而嵌入式控制和集成連接功能將成為未來智能電網成功的關鍵，而智能三相電表是智能電網的終端環節和最重要的基本構建。

飛思卡爾三相電表方案按照中國電網標準GB/T 17215.322-2008/IEC62053-22：2003設計。方案采用飛思卡爾最新的基于ARM Cortex-MO+內核44引腳的Kinetis M系列，KM14作為計量芯片，其基于ARM Cortex-MO+內核100引腳的Kinetis L系列，KL36作為系統芯片。該方案可以簡化并加速設計者的設計流程，降低研發風險及成本，縮短研發時間，確保客戶并在此基礎上開發出有競爭力的產品。

2 系統組成

2.1 系統圖

系統原理框圖如圖1所示。

2.2 系統描述

計量芯片KM14基于ARM CortexMO+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∑△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（如圖1下半部分紅色線所標識），是因為不但有4路獨立的24位∑-△ADC，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。

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97uA/MHz，對于停電等情況可以得到很好的支持。

2.3系統功能特點

根據以上的描述，總結出該系統的特點如下。

（1）電壓輸入范圍3×220～380V;

（2）電流輸入范圍5～60A;

（3）0.5S有用功計量精度。

3 系統功能

3.1 功能模塊

3.1.1 計量單元

本設計采用了Kinetis M系列MCUKM14作為計量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-MO+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∑-△ADC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。

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-MO+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。

3.1.2 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-MO+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。

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f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。

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。從前文中，我們可以知道本設計有兩路隔離RS-485輸出。

RS-485采用差分信號負邏輯，2V～-6V表示“O”，+2V～+6V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100kp/s及以下時，RS-485的最長傳輸距離可達1200m。

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2所示。

按照圖1所示的原理圖設計的最終產品如圖3所示，從圖3可以看出，該設計體積緊湊，符合國際要求。