基于CKS32F407的電壓監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)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(chǎn)微處理器CKS32F407為核心設計一種電壓監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)。該文論述該硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)方案并進行關(guān)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(shù)據(jù)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(jié)果表明，該硬件系統(tǒng)設計合理，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：電壓監(jiān)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(xiàn)代工業(yè)智能化的高速發(fā)展，用電負荷日趨復雜化和多樣化，電網(wǎng)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(zhì)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(jīng)濟損失和安全危害，因此，現(xiàn)代工業(yè)對改善電壓質(zhì)量提出了更高的要求[1-2]。在電力系統(tǒng)中，電壓監(jiān)測儀用于對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的監(jiān)測，能夠提高電壓質(zhì)量，保持無功平衡、電網(wǎng)穩(wěn)定。在用戶受電端裝設電壓監(jiān)測儀，能自動地對監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄、存儲，按給定的程序統(tǒng)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(fā)生的時刻，統(tǒng)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(tǒng)中電壓質(zhì)量的管理與考核[3]。

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

1" 硬件方案設計

1.1" 系統(tǒng)方案

電壓監(jiān)測儀作為供電電壓自動采集系統(tǒng)的底層關(guān)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(jiān)測儀系統(tǒng)設計方案[4]，見表1。

參考表1中幾種方案，綜合考慮系統(tǒng)功能要求、性能指標、實時性、穩(wěn)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(shù)據(jù)并負責統(tǒng)計、存儲、通信和顯示等任務的控制與調(diào)度。

1.2" 核心器件選型

MCU是整個系統(tǒng)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(tài)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(jiān)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(xiàn)多功能電參數(shù)系統(tǒng)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(nèi)置二階Sigma-Delta A/D轉(zhuǎn)換器，能夠提供三路電壓、電流均方根有效值和波形采樣數(shù)據(jù)的采集處理。其模擬前端帶有片內(nèi)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(tài)能量檢測范圍內(nèi)誤差小于0.1%[6]，完全符合本系統(tǒng)的測量精度指標。

1.3" 系統(tǒng)硬件框圖

整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲單元、RTC實時時鐘、RS232接口、RS485接口、以太網(wǎng)接口、GPRS模塊和人機接口電路等，圖1為系統(tǒng)硬件框圖。

1.4" MCU資源分配

由于整個系統(tǒng)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(shù)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(wěn)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(tǒng)提供供電電源，采集電網(wǎng)中的交流電壓并經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)換成小信號供后級采樣，同時提供鋰電池供電接口，在突發(fā)停電時繼續(xù)向系統(tǒng)供電。

輔助交流電源首先經(jīng)初級濾波和線圈隔離，通過整流橋電路后經(jīng)DC-DC模塊輸出5 V電壓，再經(jīng)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(tǒng)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(zhuǎn)換成芯片上輸入范圍內(nèi)的小電壓信號。以A相標稱電壓220 V待測電壓為例，經(jīng)過串聯(lián)的220 kΩ高精度限流電阻轉(zhuǎn)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(jiān)測3路電壓的方式，電源板傳遞進來的小電流信號，經(jīng)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(xiàn)了高電壓到低電壓的隔離與高精度轉(zhuǎn)換測量。ADE7754的任務在于電壓有效值計算，內(nèi)置于芯片的數(shù)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(jié)果，電路如圖3所示。

為了提高系統(tǒng)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(fā)微處理器讀取ADE7754寄存器中數(shù)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(zhuǎn)換成3.3 V，再與MCU相連。

2.3" 數(shù)據(jù)存儲電路

電壓監(jiān)測儀需要存儲電壓分鐘數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)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(tài)寄存器不被意外改寫。

2.4" 本地通信電路

系統(tǒng)采用RS232作為維護端口，RS485作為本地通信口，并配備以太網(wǎng)接口與主站進行數(shù)據(jù)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(shù)設置、狀態(tài)查詢和數(shù)據(jù)請求。本文使用MAX3232芯片來實現(xiàn)RS232電平轉(zhuǎn)換，MAX3232采用專有低壓差發(fā)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?qū)崿F(xiàn)真正的RS232性能。系統(tǒng)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(jù)結(jié)果控制相關(guān)串口程序的運行。

RS485電平轉(zhuǎn)換采用TI公司SN65HVD12D收發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)，因此需要使用一個I/O口控制RS485的讀寫切換。由于電壓監(jiān)測儀所在的工作環(huán)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(fā)數(shù)據(jù)和讀寫控制信號均通過ADUM1201芯片隔離后才進行電平轉(zhuǎn)換，電路如圖5所示。

由于CKS32F407內(nèi)部以太網(wǎng)控制器集成了以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC），實現(xiàn)以太網(wǎng)接口電路時只需外部增加一個物理接口收發(fā)器（PHY）即可。本文選用DM9161EP以太網(wǎng)物理層收發(fā)器芯片，完全符合IEEE-802.3和IEEE-802.3u規(guī)范，支持100 Mbit/s以太網(wǎng)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(shù)據(jù)交互操作，可以節(jié)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(chǎn)品專用圖形點陣液晶模塊，單電源供電，符合國網(wǎng)技術(shù)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(nèi)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(tǒng)計與系統(tǒng)運行關(guān)系密切，因此電壓監(jiān)測儀的技術(shù)指標中對時鐘的精度有明確的規(guī)定。考慮到晶振往往因溫度濕度等環(huán)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(shù)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(jiān)控與電池切換芯片。它配合板上3 V扣式電池，在系統(tǒng)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(xù)進行時間的計數(shù)。

2.7" GPRS通信模塊電路

本系統(tǒng)選用國內(nèi)SIMCOM公司的SIM800E模塊來實現(xiàn)電壓監(jiān)測儀的GPRS通信，SIM800E是一款純數(shù)據(jù)的雙頻GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以低功耗地實現(xiàn)短消息、數(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)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(fā)光二極管為狀態(tài)指示燈，工作時常亮，關(guān)機時熄滅。

3" PCB設計

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

電路板劃分：考慮到裝置結(jié)構(gòu)，同時為了避免高低壓器件混雜，降低電磁干擾，本系統(tǒng)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(jié)構(gòu)：電源板、液晶板均采用2層結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)并做內(nèi)電層分割，核心板分層結(jié)構(gòu)見表3。

抗干擾：根據(jù)整個系統(tǒng)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(jiān)測儀的硬件設計后，結(jié)合軟件對其進行了精度測試。在電壓監(jiān)測儀通電狀態(tài)下，同步調(diào)節(jié)被監(jiān)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(shù)據(jù)，計算相對誤差，如果在±0.5%范圍以內(nèi)，表示符合標準。測試結(jié)果見表4。

5" 結(jié)論

本文結(jié)合電網(wǎng)電壓監(jiān)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(jiān)測儀硬件系統(tǒng)，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(jīng)測試，該監(jiān)測儀可對三相電壓進行高精度實時測量，并將數(shù)據(jù)存儲本地與上傳，性能穩(wěn)定，操作便捷，適用于各種電力系統(tǒng)的電壓監(jiān)測應用，具有較強的工程意義和實用價值。

參考文獻：

[1] 徐永海，肖湘寧.電力市場環(huán)境下的電能質(zhì)量問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）：48-52.

[2] 趙逸眾，肖湘寧，姜旭.現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)[J].電氣技術(shù)，2006（1）：13-17.

[3] 王莆，楊子力，尹定座，等. 淺談電壓監(jiān)測儀在電網(wǎng)運行中的應用及其周期檢測[J].電力設備管理，2018（10）：42-43，64.

[4] 郭晶.新型電壓監(jiān)測儀的設計[D].蘇州：蘇州大學，2015.

[5] 王成多，李月軍，王青青.基于SPI總線和ADE77xx專用芯片的三相多功能電度表的原理與應用[C]//自動化儀表論文集. 2007：700-704.

[6] 孫文寶.ADE7754在低壓配電檢測裝置中的應用[J].電氣傳動自動化，2008，30（5）：47-50.

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