基于Cortex- M0＋的四通道多功能智能電表設計※＊

錢益輝，孫超杰，楊賽女，裘君

（浙江大學 寧波理工學院 信息學院，寧波315100）

引 言

電力公司在長期的供電服務中發(fā)現，部分企業(yè)電能利用效率低、企業(yè)成本過高。事實上只要適當調整用電方式，就能降低經營成本，提高終端用電效率，同時也能優(yōu)化電力資源配置，促進社會節(jié)能減排。為此本文設計了一個面向企業(yè)、樓宇的智能電能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Cortex-M0＋芯片設計電表控制主板，通過高精度電能質量分析芯片ICADE7858實現三相電能信息采集和分析，實現了4路三相電源的電能信息采集與存儲，并設計了無線藍牙、RS485等接口。實現了下位機采集模塊與PC機或手機的數據傳輸，通過PC上位機軟件和手機APP軟件，向用戶提供各類實時用電數據。

1 組成與設計原理

基于Cortex-M0＋的智能電能檢測系統(tǒng)功能結構框架如圖1所示。

圖1 智能電表功能框圖

圖2為系統(tǒng)結構框圖，考慮到企業(yè)、樓宇對于電能信息采集的應用需求，通常包含多路三相電路，所設計的整個系統(tǒng)包含4個檢測節(jié)點、1個采集節(jié)點和上位機。其中，檢測節(jié)點采用電能質量分析芯片ICADE7858設計而成，并通過SPI總線與采集節(jié)點實現數據傳輸，采集節(jié)點采用ARM Cortex-M0＋內核的MKL25Z128VLK4實現，負責數據的集中采集、處理以及傳輸，通過RS485和無線藍牙串口實現數據上傳至上位機。

圖2 基于Cortex-M0＋的智能電表結構框圖

系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)初始化后，檢測4個檢測節(jié)點的完好性并反饋信息，然后進入數據采集階段。各個檢測節(jié)點檢測各路電壓電流的數值和相位，并且經過內部運算，得出三相有功/無功/視在功率，MCU通過高速數字隔離器芯片實現與檢測節(jié)點的數據傳輸，同時通過RS485和無線藍牙將采集到的各個數據傳給上位機，上位機顯示數值并保存數據和打印結果。

所設計的產品電壓/電流采樣精度為0.2%，有功和無功功率誤差小于0.5%，相位角測量誤差小于0.3°。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 微控制器

MKL25Z128VLK4是基于ARM Cortex-M0＋的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應用。工作電壓為1.71～3.6 V，工作頻率為48 MHz，外設包括16 KB數據存儲器、128 KB程序存儲器、高速12/16位模數轉換器、2個8位的SPI模塊、2個I2C模塊、1個低功率UART和2個UART模塊、以及1個內部看門狗監(jiān)控，具有強大的定時模塊，支持通用/PWM/電機控制功能等。

飛思卡爾Kinetis系列MCU，其功耗模式最多可達11種之多，可滿足客戶對微控制器各種低功耗的配置要求，同時支持多種喚醒方式，方便客戶使用。

2.2 電源模塊

設計的智能電能檢測系統(tǒng)電源為220 V交流輸入，先通過高性能穩(wěn)壓模塊，將交流220 V轉變?yōu)?2 V及5 V電壓輸出，考慮到采集對于電壓的穩(wěn)壓需求，通過線性穩(wěn)壓器NCP1117實現5 V和3.3 V穩(wěn)壓電壓的輸出。電源模塊電路圖略——編者注。

2.3 三相多功能電能計量IC

三相多功能電能計量IC ADE7858芯片是一款高精度、三相電能測量IC，采用串行接口，并內置二階Σ-Δ型ADC、數字積分器、基準電壓源電路以及所有必須的信號處理電路，內部具有一個固定功能數字信號處理器（DSP），可以對總有功、無功和視在功率測量以及有效值進行計算，該芯片適合測量各種三線、四線的三相配置有功、無功和視在功率，各相均具有有效值失調校正、相位校準和增益校準等系統(tǒng)校準功能。

ADE7858具有6個模擬輸入，構成電流和電壓通道。根據系統(tǒng)需要，6個模擬通道分別為3路模擬電流信號和3路模擬電壓信號。其中三對電流通道采用全差分輸入方式，分別為IAP和IAN、IBP 和IBN、ICP和ICN。通過霍爾電流傳感器CT將采集到的感應電勢VH傳輸到對應通道中，電流采集電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

3個電壓通道采用單端電壓輸入方式：VAP、VBP和VCP。通道電壓通過電阻分壓方式，將單端輸入端電壓相對于VN的最大輸入電壓為±0.5 V。電壓分壓采集電路如圖4所示。

圖4 電壓分壓采集電路

多功能電量芯片的A/D轉換基準電壓采用1.2 V超低功耗、高PSRR基準電壓源ADR280芯片實現，并輸入到電量芯片中。每塊芯片外接16.384 MHz晶振，通過SPI總線和數據采集芯片進行通信，電量采集芯片外圍電路設計如圖5所示。

2.4 數字隔離模塊

圖5 電量芯片電路設計

電量信息采集電路中，各個檢測節(jié)點均由三相電壓直接接入，為了保護220 V高壓不侵入到數據采集節(jié)點中，采用ADI公司iCoupler技術的四通道數字隔離器ADu M1411，該芯片可以將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征，可以實現雙向通信和最高達10 Mbps的數據速率。

在設計實現中，系統(tǒng)將片選信號、SPI數據總線進行數字隔離，實現了檢測節(jié)點和采集節(jié)點的信號隔離，實現了數字電路信號和模擬電路信號的相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用，保證了檢測檢點和采集節(jié)點間的數據穩(wěn)定。數字隔離電路如圖6所示。

圖6 數字隔離模塊電路圖

2.5 通信模塊

數據采集節(jié)點通過RS485和無線藍牙實現與上位機的通信，通信遵循簡單的MODBUS RTU協(xié)議標準，可以對檢測節(jié)點的增益寄存器進行設置，對檢測節(jié)點采集的電壓、電流、有功功率、無功功率等數據進行讀取。通過SP485E芯片，把串行數據轉化為RS485數據，其電路如圖7所示。

由于KL25Z系列單片機沒有片上藍牙控制器，因此選用了TI CC2540藍牙模塊，該模塊基于2.4 GHz頻段，板載天線，微安級工作電流，遵循藍牙V4.0版本規(guī)范，可以直接和蘋果、安卓、PC等設備進行數據通信，為實現無線上位機監(jiān)控和無線抄表提供了支持。藍牙模塊實現電路如圖8所示。

圖7 RS485通信接口電路

圖8 無線藍牙接口電路

3 軟件設計

3.1 采集節(jié)點軟件設計

采集節(jié)點在接收到上位機或手機APP發(fā)出的采集信息指令后，給對應的檢測節(jié)點地址發(fā)送指令，得到回復后把收到的各個檢測節(jié)點的數據上傳給上位機顯示。如果某個地址沒有回復，就上傳該地址為空的信息。采集節(jié)點與上位機的連接是用RS485接口和藍牙把數據傳輸給上位機。采集節(jié)點主程序流程圖如圖9所示。

主程序首先實現對系統(tǒng)（如定時器、串口、中斷系統(tǒng)等）的初始化，并接收來自上位機的命令。如果判斷出不是采集命令（如數據查詢），則響應相應的指令，若判斷出是數據采集命令，則進行數據采集、處理、傳輸等；若判斷出上位機沒有發(fā)出相應命令，則系統(tǒng)直接進行數據傳輸。系統(tǒng)狀態(tài)的自檢和狀態(tài)指示功能放在定時器中斷程序中執(zhí)行。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件分成PC平臺和智能手機客戶端兩部分，其中PC平臺軟件用來實現智能電表的數據校準、實時數據采集、存儲功能，通過引入數據庫，將智能電表采集數據加入到系統(tǒng)中，實現數據存儲，為下一步的數據判斷和分析提供處理依據。智能手機客戶端通過無線藍牙通信，可以實現工作人員的現場工作狀態(tài)診斷以及服務器數據查詢功能，實現智能電表信息的自動采集和網絡化。

圖9 主程序流程圖

結 語

本系統(tǒng)使用Cortex-M0＋內核的32位微控制器MKL25Z128VLK4，同時采用高精度電能計量IC ADE7858芯片，滿足了電能質量采集的高精度工作要求，所設計的RS485和無線藍牙串口通信方式，使系統(tǒng)可以滿足數據通信要求。

在實際測試中，數據傳輸穩(wěn)定，實際系統(tǒng)電壓電流采集精度達到0.2%以下，通過PC/手機上位機獲得采樣數據，可以方便進行相關數據分析。系統(tǒng)具有安裝使用方便、開發(fā)成本低、低功耗等特點，非常適合工業(yè)或企業(yè)對用電的采集分析管理，具有良好的應用推廣前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

[1]ARM.Cortex-MO MKL25Z128VLK4數據手冊，2009.

[2]ARM.Cortex-M0用戶指導，2009.

[3]江緝光.電路原理[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]弓雷.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解[M].北京：清華大學出版社，2014.

[5]Elecia White.嵌入式系統(tǒng)設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[6]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[7]徐明，黃義，滕哲.基于ARM Cortex-M0的可燃氣體無線檢測系統(tǒng)[J].艦船電子工程，2013（2）：133.