一種超低功耗無線電流檢測(cè)終端設(shè)計(jì)

王煒富 沈劍峰

（1.大連工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與信息工程學(xué)院 遼寧省大連市 116000 2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司 遼寧省沈陽市 110167）

近年來，隨著家用電器使用的多樣化，電能使用也隨之增加，所以需要檢測(cè)各個(gè)電器的用電量，也就是檢測(cè)電流，從而更好的計(jì)量電量和有效節(jié)能。因此，為了準(zhǔn)確無誤管理用電器的使用，需要在各個(gè)區(qū)域內(nèi)安裝電流檢測(cè)終端則是有必要的。

本文設(shè)計(jì)了一種超低功耗無線電流檢測(cè)終端。該終端基于CT取電技術(shù)和ADC 采集技術(shù)檢測(cè)電流值，并利用超低功耗微控制器將電流信號(hào)傳輸給上位機(jī)。可有效地提高電流檢測(cè)準(zhǔn)確度，從而更好的管理用電器使用。

1 終端系統(tǒng)方案

該終端主要由CT 取電電路、電流檢測(cè)電路、超低功耗微控制器電路及zigbee 無線模塊四部分組成。采用感應(yīng)取電線圈給終端分別提供采集電流線圈和供電線圈；利用超小型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115 進(jìn)行電流數(shù)據(jù)采集；使用ST 公司的超低功耗STM32L151C8T6 微控制器作為主控和瑞瀛公司開發(fā)的超低功耗國(guó)產(chǎn)型號(hào)為REX3T 的zigbee 模塊進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)交互。圖1 為該終端硬件系統(tǒng)框圖。

圖1：終端硬件系統(tǒng)框圖

2 終端電路設(shè)計(jì)

2.1 CT取電電路和供電電路

CT 取電也稱為感應(yīng)取電，即利用高壓母線與電流互感器通過電磁感應(yīng)原理獲得電源的一種電路，由CT 取電和電源轉(zhuǎn)換模塊兩部分組成。本文為完成采集電網(wǎng)中的電流，所以，采用兩個(gè)電流互感器并聯(lián)方式，一個(gè)次級(jí)繞組完成電流值輸出，另一個(gè)次級(jí)繞組完成電源轉(zhuǎn)換，給該無線電流檢測(cè)終端提供電能。圖2 為CT 取電和供電電路。

圖2 中，初級(jí)繞組是進(jìn)入家用電器的火線，它需要穿過互感器中的開口。兩個(gè)次級(jí)繞組由多匝細(xì)線繞組構(gòu)成。在流入初級(jí)的交流電在鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電流。所以，次級(jí)繞組的電流與初級(jí)繞組的電流成正比，即I次級(jí)=CT匝比×I初級(jí)。本設(shè)計(jì)中，次級(jí)繞組為2000 匝，因此，次級(jí)電流是初級(jí)電流的2000 分之一。經(jīng)過設(shè)計(jì)，互感器的比率為100：0.05。

圖2：CT 取電和供電電路

次級(jí)繞組N2 為后續(xù)電流檢測(cè)接口，分別為AIN0 和AIN1。次級(jí)繞組N3 則采用D5 二極管進(jìn)行半波整流，同時(shí)利用一個(gè)D4 瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)電路不受沖擊。C18 電容進(jìn)行濾波，采用型號(hào)為NCP551 的穩(wěn)壓芯片將電壓維持在3.3V 并給微控制器提供電源[1]。C17 輸出電容采用大容量的固態(tài)電容，其目的是微控制器由低功耗切換為正常負(fù)荷時(shí)，切換時(shí)需要的大量電能均來自供電電路中的電容，而固態(tài)電容的高速充放電特性可以在瞬間輸出高峰值電流，保證充足的電源供應(yīng)，確保整個(gè)終端穩(wěn)定工作。

2.2 電流采集電路

ADS1115 是一種超小型、低功耗、內(nèi)部具有16 位數(shù)字轉(zhuǎn)換器，芯片轉(zhuǎn)換的最高采樣速率是860sps；可分辨的最小模擬量為256mV，可提供4 個(gè)單端輸入[2]。該芯片可以工作與連續(xù)轉(zhuǎn)換模式或單觸發(fā)模式，其中，在單觸發(fā)模式下，一次轉(zhuǎn)化完成后自動(dòng)斷電，極大降低了芯片的功耗[3]。圖3 為本設(shè)計(jì)的ADS1115 電流采集電路。

圖3：ADS1115 電流采集電路

圖3 中，從電流互感器獲得模擬電流信號(hào)，通過ADS1115 的模擬AIN0 和AIN1 輸入引腳輸入ADS1115 芯片內(nèi)部。通過STM32微控制器，控制這兩個(gè)輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與處理。SCL 和SDA為I2C 的時(shí)鐘信號(hào)線和數(shù)據(jù)線，分別與STM32 微控制器的PB6 和PB7 引腳連接，構(gòu)成I2C 串行總線。通過該總線，實(shí)現(xiàn)ADS1115和STM32 微控制器之間的數(shù)據(jù)通信。使得ADS1115 內(nèi)部的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)化器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終將得到的數(shù)字量通過I2C 總線傳送到STM32 微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與處理。

2.3 微控制器模塊與zigbee模塊通訊

微控制器模塊選用ST 公司推出的低功耗系列STM32L151C8T6微控制器，該控制器是基于32 位Cortex-M3 內(nèi)核，低功耗工作模式下電流達(dá)9uA，低功耗睡眠模式下電流可低至4.4uA[4]，由其構(gòu)成的最小系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)需要。zigbee 模塊選用瑞瀛公司開發(fā)的低功耗系列REX3T 模塊，該模塊是基于TLSR825X 芯片設(shè)計(jì)，低功耗工作模式下，接收電流6mA，發(fā)射電流20mA，休眠模式電流小于1uA，因此，也可滿足設(shè)計(jì)需要。圖4 為zigbee 模塊電路。

圖4：zigbee 模塊電路

圖4 中，zigbee 模塊的PB1 為發(fā)送，PC3 為接收；該兩個(gè)引腳都接22R 電阻分別與STM32 微控制器的PA10 接收引腳和PA9 發(fā)送引腳連接，通過串口通信方式完成所有數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程交互。

3 軟件設(shè)計(jì)

該無線電流檢測(cè)終端采用C 語言開發(fā)，利用keil 環(huán)境進(jìn)行程序編寫、編譯和在線調(diào)試。首先對(duì)終端系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘、總線、RTC和ADC 初始化，接著對(duì)交流值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后利用ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓值，經(jīng)過低功耗STM32微控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，最終利用串口調(diào)試采集電流值。再利用STM32 微控制器的低功耗模式進(jìn)行配置，完成每2 秒進(jìn)入正常模式采集，每8 秒進(jìn)入低功耗模式，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行模式切換，極大降低終端設(shè)備的使用功耗。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試整個(gè)終端的性能，采用了一款型號(hào)為FC306-1 額定功率為1350W 的多功能電熱鍋?zhàn)鳛闇y(cè)試對(duì)象。在燒水加熱模式下，額定電流約為6A。利用串口調(diào)試助手串口，每2 秒傳輸一次采集的電流值。經(jīng)過實(shí)測(cè)采集的電流值與額定值非常接近，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，該無線電流檢測(cè)終端能夠滿足設(shè)計(jì)需求，具有檢測(cè)精度好，可靠性高和低功耗等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于家用電器設(shè)備電能檢測(cè)。