基于Kinetis微控制器的三相电表设计

　　1 概述
　　目前，高效能源管理和输配电方面存在各种挑战，而嵌入式控制和集成连接功能将成为未来智能电网成功的关键，而智能三相电表是智能电网的终端环节和最重要的基本构建。
　　飞思卡尔三相电表方案按照中国电网标准GB/T 17215.322-2008/ IEC 62053-22:2003设计。方案采用飞思卡尔最新的基于ARM Cortex-M0+ 内核44引脚的Kinetis M系列，KM14作为计量芯片，其基于ARM Cortex-M0+ 内核100引脚的Kinetis L系列，KL36作为系统芯片。该方案可以简化并加速设计者的设计流程，降低研发风险及成本，缩短研发时间，确保客户并在此基础上开发出有竞争力的产品。
　　2 系统组成
　　2.1 系统图
　　系统原理框图如图1所示。


　　2.2 系统描述
　　计量芯片KM14基于ARM Cortex M0+内核，主频可达50 MHz，可以用来做谐波分析和计量。其SPI可以与后端主MCU KL36进行通信。有4路独立的24 位ΣΔADC，含有两个可编程增益放大器，能够满足高精度计量。该设计之所以能够实现三相计量(如图1下半部分红色线所标识)，是因为不但有4路独立的24 位Σ-ΔADC，还有16 位SAR ADC，两者进行相位补偿算法以后，就可以满足三相电表规范。
　　4个UART接口可以满足国家电网载波485、红外和PLC的相关要求。该设计不但可以满足国家电网的计量规范，也可以满足国外IEC 62053-22 和IEC 62053-23等计量标准。
　　低功耗模式，全速情况下可以实现97 uA/MHz,对于停电等情况可以得到很好的支持。
　　2.3 系统功能特点
　　根据以上的描述，总结出该系统的特点如下。
　　(1)电压输入范围3×220~380 V;
　　(2)电流输入范围5~60 A;
　　(3)0.5S有用功计量精度。
                               
                　　3 系统功能
　　3.1 功能模块
　　3.1.1 计量单元
　　本设计采用了Kinetis M系列MCU KM14作为计量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0+内核，适用于单芯片1、2和3相电表和流量计，以及其他高精度测量应用。Kinetis M系列MCU包括一个由多个24位Σ-ΔADC组成的强大的模拟前端、多个可编程增益放大器，还包括低温度漂移的参考电压以及一个相移补偿器。
　　该设计另一个特点是高精度的计量，可以进行谐波分析，包括每一个谐波分量的计算。内嵌的32×32乘法器，可以很好地支持谐波计量算法和复杂电能参数的计量。整个设计能够完全满足国家电表最高等级电表的要求。
　　该电表的计量部分将传统的4种低功耗模式换成了11种低功耗模式，可以灵活配置。系统的低功耗得益于Cortex-M0+内核、飞思卡尔薄膜存储器(TFS) Flash工艺以及外设的低功耗设计。除了低功耗，该设计有加密和安全模块，符合AES、ECC和RSA的认证。
　　3.1.2 主控单元
　　电表的电源管理、输出显示、按钮输入、时间计算等一系列处理还需要有核心微处理器，出于综合考虑，本设计采用了Kinetis L系列KL36作为系统控制器。Kinetis L系列MCU集新型ARM Cortex-M0+处理器的卓越能效和易用性与Kinetis 32位MCU组合的性能、丰富的外设集、支持功能和可扩展性于一身。有了Kinetis L系列，设计者不再因限制功耗的问题而拘泥于8位和16位MCU。
　　4 软件设计
　　该设计的软件开发并不是从零开始，可以采用飞思卡尔的应用架构、基于滤波器的计量算法(如希尔波特滤波器)和FFT计量算法。其中，基于FFT的谐波分析算法在64点的FFT时，可以支持32次谐波。飞思卡尔提供的算法库用来帮助精确计算有功、无功、总功率等。
　　5 通信协议
　　三相电表数据通信接口是为配合电力系统实现用电管理现代化而设计的。从前文中，我们可以知道本设计有两路隔离RS-485输出。


　　RS-485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等因素所影响。理论上，通信速率在100 kp/s及以下时，RS-485的最长传输距离可达1 200 m。
　　6 仿真实验
　　该设计的目的就是在保持低功耗的同时达到高精度，仿真测试结果表明，该设计具有优良的测量精度，并且保持低功耗，如图2所示。


　　按照图1所示的原理图设计的最终产品如图3所示，从图3可以看出，该设计体积紧凑，符合国际要求。