基于CKS32F407的電壓監測儀硬件系統設計

摘" 要：采用ASIC（專用電能計量芯片）搭配32位通用MCU方案，以國產微處理器CKS32F407為核心設計一種電壓監測儀硬件系統。該文論述該硬件系統的實現方案并進行關鍵元器件選型與硬件設計，主要包括電源電路、信號采集電路、MCU微控制器核心電路、本地通信接口電路、數據存儲電路、實時時鐘電路、人機接口電路和遠程GPRS通信電路。實驗結果表明，該硬件系統設計合理，性能穩定。

關鍵詞：電壓監測；ASIC；電能計量；CKS32F407；硬件設計

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0001-05

Abstract： Using ASIC（Application-Specific Integrated Circuit） and 32-bit general MCU scheme， a kind of voltage monitor hardware system is designed with domestic microprocessor CKS32F407 as the core. This paper discusses the implementation scheme of the hardware system and carries out the selection of key components and hardware design， including power supply circuit， signal acquisition circuit， MCU microcontroller core circuit， local communication interface circuit， data storage circuit， real-time clock circuit， man-machine interface circuit and remote GPRS communication circuit. The experimental results show that the design of the hardware system is reasonable and the performance is stable.

Keywords： voltage monitoring; ASIC; electric energy measurement; CKS32F407; hardware design

隨著現代工業智能化的高速發展，用電負荷日趨復雜化和多樣化，電網電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和過壓欠壓等電能質量問題日趨嚴重。其中任何一個問題都有可能給國家和社會造成巨大的經濟損失和安全危害，因此，現代工業對改善電壓質量提出了更高的要求[1-2]。在電力系統中，電壓監測儀用于對電網電壓質量的監測，能夠提高電壓質量，保持無功平衡、電網穩定。在用戶受電端裝設電壓監測儀，能自動地對監測數據記錄、存儲，按給定的程序統計出每天或每月的最大電壓值、最小電壓值以及這些電壓值發生的時刻，統計出每天或每月的電壓合格率、超上限率與超下限率，極大方便了系統中電壓質量的管理與考核[3]。

為了滿足對電網電壓進行實時測量與監管需求，本文基于國產CKS32F407微控制器設計了一款電壓監測儀，對電力系統正常運行狀態緩慢變化所引起的電壓偏差進行連續的監測和統計，具備監測、分析、記憶、查詢和參數設置等功能。統計的各項數據可通過有線傳輸、無線組網等多種方式匯總到國家電力企業，為電壓質量的改善和有關電能質量治理措施和政策的制定提供有力依據。

1" 硬件方案設計

1.1" 系統方案

電壓監測儀作為供電電壓自動采集系統的底層關鍵設備，功能眾多，實時性和控制能力要求比較嚴格。目前主流的幾種電壓監測儀系統設計方案[4]，見表1。

參考表1中幾種方案，綜合考慮系統功能要求、性能指標、實時性、穩定性，本文選擇采用ASIC專用電能計量芯片和MCU的組合方案，電能計量芯片專門負責電壓有效值的測量計算，MCU通過總線訪問數據并負責統計、存儲、通信和顯示等任務的控制與調度。

1.2" 核心器件選型

MCU是整個系統的控制核心，既要參與實時計算又要控制存儲、通信和顯示，同時還要管理眾多外設，這就要求MCU必須處理能力強且具有豐富的I/O與外設資源。本文選用中科芯CKS32F407VGT6芯片作為主控單元，主頻高達168 MHz，具有1 MB大容量FLASH存儲器、192 kB的靜態隨機存儲器SRAM、豐富的外設以及高精度的時鐘和定時器，非常符合電壓監測儀對硬件資源的設計需求。

ADI公司基于SPI總線的ADE77XX系列一直是目前主流的專用電能計量芯片，常用于和單片機組合實現多功能電參數系統測量方案[5]。本文選用帶有串行接口和脈沖輸出的高精度三相電能測量集成芯片ADE7754，該芯片內置二階Sigma-Delta A/D轉換器，能夠提供三路電壓、電流均方根有效值和波形采樣數據的采集處理。其模擬前端帶有片內相位補償電路，能夠與電壓互感器、電流互感器直接相連，在1 000∶1動態能量檢測范圍內誤差小于0.1%[6]，完全符合本系統的測量精度指標。

1.3" 系統硬件框圖

整個系統包括電壓輸入預處理電路、基于ADE7754的電壓有效值測量單元、FLASH和EEPROM數據存儲單元、RTC實時時鐘、RS232接口、RS485接口、以太網接口、GPRS模塊和人機接口電路等，圖1為系統硬件框圖。

1.4" MCU資源分配

由于整個系統外設器件較多，在充分考慮到MCU IO口分配以及片上外設資源數量的前提下，本文采取的MCU資源分配方案見表2。

2" 硬件設計

2.1" 電源和信號前端電路

由整流橋電路、DC-DC穩壓電源模塊、電壓互感器和部分電壓保護器件組成，如圖2所示。主要負責為系統提供供電電源，采集電網中的交流電壓并經過電壓互感器轉換成小信號供后級采樣，同時提供鋰電池供電接口，在突發停電時繼續向系統供電。

輔助交流電源首先經初級濾波和線圈隔離，通過整流橋電路后經DC-DC模塊輸出5 V電壓，再經過扼流圈將電源中的高頻成分和共模信號加以抑制，最終為系統提供5 V電源。由于待測電壓無法直接提供給ADE7754的端口，因此需要將其轉換成芯片上輸入范圍內的小電壓信號。以A相標稱電壓220 V待測電壓為例，經過串聯的220 kΩ高精度限流電阻轉換成±1 mA的電流給互感器，起隔離作用的互感器以1∶1等比輸出±1 mA電流，傳遞給核心板上的ADE7754預處理電路。

2.2" 信號預處理和采集電路

電壓有效值測量采用1片ADE7754監測3路電壓的方式，電源板傳遞進來的小電流信號，經前端精密電阻采樣，成為mV級電壓小信號，并通過RC低通濾波電路濾除高頻噪聲后輸入到ADE7754中，從而與電源板的電路共同實現了高電壓到低電壓的隔離與高精度轉換測量。ADE7754的任務在于電壓有效值計算，內置于芯片的數字信號處理器（DSP）有效值計算程序存儲在ROM中。CKS32F407通過SPI1總線讀取計算結果，電路如圖3所示。

為了提高系統效率，ADE7754采用中斷方式通知CKS32F407讀取電壓有效值。ADE7754在工作時將不斷拉低IRQ中斷控制線，觸發微處理器讀取ADE7754寄存器中數值。為了解決AD芯片管腳的5 V電壓不能直接輸入到MCU管腳問題，硬件上本文使用74HC07緩沖器芯片將ADE7754管腳信號電平轉換成3.3 V，再與MCU相連。

2.3" 數據存儲電路

電壓監測儀需要存儲電壓分鐘數據、日數據、月數據、事件數據以及為軟件升級預留新代碼空間，本文選擇W25X32系列FLASH芯片作為外部存儲器。W25X32支持標準的四線制SPI接口，能夠支持10萬次擦寫，與普通串行FLASH相比，芯片控制更靈活。本文使用CKS32F407片上SPI0總線控制FLASH讀寫，如圖4所示。其中WP為寫保護引腳，通過MCU的I/O控制，用于保護狀態寄存器不被意外改寫。

2.4" 本地通信電路

系統采用RS232作為維護端口，RS485作為本地通信口，并配備以太網接口與主站進行數據傳輸。其中RS232串行通信接口作為必備的維護通信口，可以接受PC端的參數設置、狀態查詢和數據請求。本文使用MAX3232芯片來實現RS232電平轉換，MAX3232采用專有低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V至5.5 V電源供電時能夠實現真正的RS232性能。系統還使用了MCU一個I/O管腳識別RS232物理接頭是否正確連接，并根據結果控制相關串口程序的運行。

RS485電平轉換采用TI公司SN65HVD12D收發器芯片，3.3 V工作電源，具有-7～+12 V的共模輸入電壓范圍。由于半雙工工作方式在某一個時刻只能進行發送數據或接收數據，因此需要使用一個I/O口控制RS485的讀寫切換。由于電壓監測儀所在的工作環境可能非常惡劣，本文還對RS485通信接口增加了抗干擾措施，收發數據和讀寫控制信號均通過ADUM1201芯片隔離后才進行電平轉換，電路如圖5所示。

由于CKS32F407內部以太網控制器集成了以太網媒體接入控制器（MAC），實現以太網接口電路時只需外部增加一個物理接口收發器（PHY）即可。本文選用DM9161EP以太網物理層收發器芯片，完全符合IEEE-802.3和IEEE-802.3u規范，支持100 Mbit/s以太網標準，可以通過可變電壓的MII或RMII總線接口連接到MAC層[7]。CKS32F407通過標準的RMII硬件接口與DM9161EP相連進行數據交互操作，可以節約芯片引腳資源，外置50 MHz高精度晶體振蕩器為CKS32F407 MAC及DM9161EP提供同步時鐘。

2.5" 人機接口電路

人機接口模塊主要由LCD液晶顯示屏、鍵盤和LED指示燈組成。液晶顯示屏采用拓普微公司LM160160A系列電力產品專用圖形點陣液晶模塊，單電源供電，符合國網技術標準。CKS32F407采用并口連接方式控制液晶顯示，通過I/O口控制背光和電源。液晶板上集成由了5個機械按鍵組成的小鍵盤，分別用于界面內容的確認與返回、左移、右移、上翻頁、下翻頁。

2.6" 實時時鐘電路

實時時鐘對電壓有效值的統計與系統運行關系密切，因此電壓監測儀的技術指標中對時鐘的精度有明確的規定。考慮到晶振往往因溫度濕度等環境變化而存在一定的誤差，本文選用了美國MICROCHIP公司一款帶數字校準功能的低功耗實時時鐘芯片MCP7940N。外部使用32.768 kHz晶振，通過I2C總線讀寫，電路如圖6所示。SP690是一款低功耗微處理器監控與電池切換芯片。它配合板上3 V扣式電池，在系統掉電時自動從VCC切換到后備電源，保證掉電期間實時時鐘芯片繼續進行時間的計數。

2.7" GPRS通信模塊電路

本系統選用國內SIMCOM公司的SIM800E模塊來實現電壓監測儀的GPRS通信，SIM800E是一款純數據的雙頻GSM/GPRS模塊，內嵌TCP/IP協議，可以低功耗地實現短消息、數據和傳真信息的傳輸。在應用上，SIM800E模塊提供一個全功能串口和一個調試口，可直接與MCU的UART控制器互連，使用AT命令控制，硬件設計簡單，電路如圖7所示。通信串口引腳TXD和RXD連接到UART1接口，SIMDATA數據引腳、SIMCLK時鐘引腳、SIMRST復位引腳通過限流電阻后與SIM卡對應的管腳相連。通過拉低POWERKEY引腳1 s以上然后釋放使模塊開機，發光二極管為狀態指示燈，工作時常亮，關機時熄滅。

3" PCB設計

印制電路板設計是電路實現過程中的關鍵環節，PCB設計的好壞、準確度直接影響到最終系統的功能與性能。本文在系統PCB設計時主要從以下角度考慮。

電路板劃分：考慮到裝置結構，同時為了避免高低壓器件混雜，降低電磁干擾，本系統將整個硬件設計分成3塊PCB，即電源板、核心板和液晶板。

電路板結構：電源板、液晶板均采用2層結構。核心板元器件較多，布線難度較大，存在多種電源和地信號，因此采用4層結構并做內電層分割，核心板分層結構見表3。

抗干擾：根據整個系統的最大電流，加粗電源線的寬度，在每個芯片的電源和地之間都設置去耦電容，頂層和底層的走線盡量相互垂直，避免直角和銳角。

4" 測試與驗證

在完成電壓監測儀的硬件設計后，結合軟件對其進行了精度測試。在電壓監測儀通電狀態下，同步調節被監測電源及工作電源，記錄在電壓額定值、120%額定值、80%額定值條件下的測量數據，計算相對誤差，如果在±0.5%范圍以內，表示符合標準。測試結果見表4。

5" 結論

本文結合電網電壓監測的功能需求和性能需求，設計了一種基于CKS32F407微控制器的電壓監測儀硬件系統，闡述了各個模塊電路設計思路和設計方法，詳細分析了重點電路的原理，最后介紹了印制電路板PCB設計。經測試，該監測儀可對三相電壓進行高精度實時測量，并將數據存儲本地與上傳，性能穩定，操作便捷，適用于各種電力系統的電壓監測應用，具有較強的工程意義和實用價值。

參考文獻：

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[7] DAVICOM Semiconductor Inc.DM9161 10/100 Mbps Fast Ethernet Physical Layer Single Chip Transceiver[Z].