基于NB-IoT以及ADE9078的智能數(shù)字遠(yuǎn)傳三相電表設(shè)計(jì)

張銀建，田亞南

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能已成為第四次科技信息革命的重要標(biāo)志性技術(shù)。在全球經(jīng)濟(jì)大變革的背景下，這些新技術(shù)給行業(yè)和企業(yè)帶來(lái)的不是小修小補(bǔ)式的創(chuàng)新，而是從深層次上革新產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式，重塑商業(yè)模式，改變?nèi)藗兊纳罘绞?，?gòu)建生態(tài)和諧的新紀(jì)元，引領(lǐng)全球經(jīng)濟(jì)向一個(gè)新的階段發(fā)展。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things,NB-IoT)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中非常重要的組成部分，以其可以容納海量節(jié)點(diǎn)、覆蓋范圍廣、具有比GPRS更高效的網(wǎng)絡(luò)支持，在眾多技術(shù)中脫穎而出，應(yīng)用廣泛。本項(xiàng)目研究的智能遠(yuǎn)傳高精度三相多功能電能表，也是萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)中重要的一環(huán)。高精度三相多功能工業(yè)電能表一直都是我國(guó)電能表行業(yè)的重要研究課題之一。該類型的電能表可以廣泛應(yīng)用于電能的高精度計(jì)量和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電量的檢測(cè)，如檢測(cè)電流、電壓、頻率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率等。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的背景下，研究一款基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳技術(shù)的高精度三相多功能電能表，也將為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供重要的技術(shù)產(chǎn)品支撐[1-4]。

1 整體方案設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

一臺(tái)完整的基于NB-IoT技術(shù)的智能高精度數(shù)字遠(yuǎn)傳電表，主要由電源、單片機(jī)主控、數(shù)字顯示、電能采集以及NB-IoT無(wú)線遠(yuǎn)傳通信等部分組成。

該系統(tǒng)主要由電源、Stm32控制系統(tǒng)、ADE9078電能計(jì)量、無(wú)線通信、按鍵控制以及數(shù)字顯示幾部分組成。Stm32單片機(jī)作為主流單片機(jī)，已應(yīng)用于各行各業(yè)之中，是一款相當(dāng)成熟的單片機(jī)產(chǎn)品。本文只是對(duì)其最小系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

本文主要研究ADE9078以及NB-IoT部分相關(guān)硬件設(shè)計(jì)。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1 Stm32最小系統(tǒng)電路

Stm32最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 Stm32最小系統(tǒng)電路

Stm32F103C8T6最小單片機(jī)系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、程序下載電路、晶振電路等部分組成。

系統(tǒng)采用8 MB外部高速晶振作為時(shí)鐘源，采用SWD接口，減少PCB板面開(kāi)支。簡(jiǎn)單的上電復(fù)位電路，boot0和boot1引腳拉低，程序默認(rèn)從閃存啟動(dòng)，也是單片機(jī)的正常工作模式。單片機(jī)數(shù)字地和模擬地通過(guò)電感與電容組成簡(jiǎn)單的隔離電路，保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定性[5]。

2.2 ADE9078應(yīng)用設(shè)計(jì)

ADE9078是一種高精度、全集成式電能計(jì)量器件。 ADE9078 可同時(shí)與電流互感器和羅氏線圈傳感器對(duì)接，讓用戶能夠開(kāi)發(fā)一個(gè)三相計(jì)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) Class 1～Class 0.2 量表所需的高性能。 ADE9078 集成了七個(gè)高性能 ADC 和一個(gè)靈活的 DSP 內(nèi)核。 一個(gè)集成式高端基準(zhǔn)保證了低溫度漂移，擁有小于±25×10-6℃的每通道最大組合漂移，每個(gè)通道均包括一個(gè)可編程增益放大器和ADC。相較于上一代產(chǎn)品,ADE7758在產(chǎn)品性能以及可靠性上都有很大提高，而且價(jià)格也相對(duì)便宜[6-7]。

ADE9078應(yīng)用設(shè)計(jì)電路主要有電流采樣電路、電壓采樣電路、時(shí)鐘電路，以及與單片機(jī)通信接口的數(shù)字隔離電路等部分組成。電流與電壓采樣電路如圖3所示。

電流采樣電路選用電流互感器CT131，變化比為2 000∶1，精度0.2級(jí)，電路中R1A阻值根據(jù)電流互感器最大電流值以及變化比，代入芯片手冊(cè)采樣電路部分計(jì)算公式中計(jì)算而得。如選用不同型號(hào)的電路互感器，則需重新計(jì)算。E1A和C1A用于濾除采樣電路中的高頻干擾。電流采樣電路其他三路電路跟此電路相同，ADE9078同時(shí)采樣A、B、C、N四條線路的電流值，以提高電能計(jì)算精度和可靠性。

電壓采樣電路通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓，按900∶1的比例對(duì)電壓進(jìn)行分壓供ADE9078進(jìn)行采樣計(jì)算。三相電壓采樣電路圖相同。ADE9078以及數(shù)字隔離電路如圖4所示。

圖4 ADE9078以及數(shù)字隔離電路

為保證ADE9078采樣系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，ADE9078模擬電源供電與單片機(jī)數(shù)字電源完全隔離，隔離芯片采用Nsi81系列數(shù)字隔離芯片。與傳統(tǒng)的光耦隔離解決方案相比，數(shù)字隔離芯片可以實(shí)現(xiàn)整體成本更低，尺寸更小、性能更高、功耗更低，而且產(chǎn)品更加可靠。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用需求，可以設(shè)置AD9078的工作模式，以達(dá)到產(chǎn)品省電和延長(zhǎng)電池供電產(chǎn)品使用壽命時(shí)間的目的。因電表設(shè)計(jì)供電采用時(shí)點(diǎn)工作模式，可以不用擔(dān)心電池供電使用壽命問(wèn)題，所以將PM0和PM1引腳拉低，設(shè)置ADE9078為正常工作模式。

2.3 NB-IOT模組M112應(yīng)用設(shè)計(jì)

M112模組是一款三頻段 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信模組，支持工作頻段為Band3、Band5 及 Band8。該模組支持全網(wǎng)通網(wǎng)路，在應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品安裝地點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度選擇相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)商，主要應(yīng)用于低功耗的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，滿足 3GPP Release 13標(biāo)準(zhǔn)。M112模組一共有94個(gè)管腳，具有(23.6±0.15)mm × (19.9±0.15)mm × (2.2±0.2)mm 的超小尺寸，幾乎能夠滿足所有的 M2M 的需求[8-9]。

M112應(yīng)用電路設(shè)計(jì)主要包括串口通信、電源電路、USIM卡電路以及復(fù)位電路，天線接口電路等部分。USIM接口的Vpp管腳沒(méi)有使用時(shí)，連接100 nF電容到地，可以有效降低干擾導(dǎo)致的掉卡現(xiàn)象。USIM 接口為避免瞬間電壓過(guò)載，需在信號(hào)線通路上各串聯(lián)一個(gè)電阻。在接口線上，建議選擇 ONSEMI 公司的SMF15C器來(lái)進(jìn)行ESD防護(hù)，外圍電路器件應(yīng)該靠近卡座放置。SIM卡座靠近模塊布局，卡座地和模塊地要保持良好的連通性。

M112電源VBAT電壓輸入范圍為3.4～4.2 V。模塊通過(guò)VBAT這兩個(gè)引腳給內(nèi)部的射頻和基帶電路供電。 在確保 VBAT 電源供電足夠的前提下，在靠近電源輸入處可并聯(lián)1個(gè)100 μF鉭電容，再并聯(lián)10 pF、33pF、0.1 μF、1 μF陶瓷電容。 VBAT的 PCB 走線盡量短且粗。為了防止浪涌以及過(guò)壓對(duì)模塊的損壞，在模塊VBAT引腳并聯(lián)一個(gè)5.1 V/500 mW的齊納二極管。

該模組I/O端口電平一般為2.8 V，在通過(guò)串口與單片機(jī)通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，M112正常開(kāi)機(jī)后，第26腳也就是VDD_EXT引腳輸出2.8 V。電流負(fù)載最大50 mA，用來(lái)給電平轉(zhuǎn)換芯片TXB0104供電。轉(zhuǎn)換芯片另一側(cè)供電VBAT 3.3 V，用于串口電平轉(zhuǎn)換后與STM32單片機(jī)通信。

M112 NB-IOT模塊的 53 腳為主天線接口。為滿足天線調(diào)試需要，在主板上增加π型匹配電路，電阻和電容值根據(jù)選型具體天線型號(hào)進(jìn)行匹配。天線阻抗走線需要遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線、電源等干擾信號(hào)。天線阻抗走線需要立體包地，并在走線兩邊多加地孔作隔離，天線線路損失要小于 0.3 dB。所以要保持PCB走線盡可能短，天線匹配中TVS管腳本身的寄生電容必須要小，以避免信號(hào)受到干擾。考慮到天線所使用的頻段，以及不同頻段所能夠接受的最小寄生電容值，通常使用在天線上的ESD保護(hù)組件其寄生電容值必須小于 0.5 pF，甚至更低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要論述了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字遠(yuǎn)傳電表的系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)方案。該方案采用大唐三網(wǎng)通NB-IoT模組M112、 ADI高性能多相電能計(jì)量芯片ADE9078以及意法半導(dǎo)體Stm32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文對(duì)涉及到的主要電路關(guān)鍵部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。通過(guò)測(cè)試表明，該方案不僅可以提供高精度的數(shù)據(jù)測(cè)量，而且可以進(jìn)行更為可靠的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，為智能遠(yuǎn)傳數(shù)字電表的硬件設(shè)計(jì)提供了一種解決方案。