俞 力張 飛

（1.鄭州祥和集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

基于RN8302的數(shù)字化三相多功能電力儀表設(shè)計(jì)

俞 力1張 飛2

（1.鄭州祥和集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種三相多功能電力儀表。采用高精度電能計(jì)量芯片RN8302對(duì)當(dāng)前模擬量進(jìn)行采集和計(jì)算，并結(jié)合高性能Contex-M3內(nèi)核處理器STM32F103RC作為事件處理內(nèi)核，從而實(shí)現(xiàn)了儀表的測(cè)量，計(jì)算，顯示，通訊，輸出，告警等一系列電氣自動(dòng)化功能。RN8302作為一款高精度的電能計(jì)量芯片大大的簡(jiǎn)化了儀表設(shè)計(jì)中模擬電路的設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的可靠性和精度。其內(nèi)部的DSP運(yùn)算內(nèi)核承擔(dān)了大部分的運(yùn)算任務(wù)，為處理器實(shí)現(xiàn)更為多樣化的功能節(jié)省了軟硬件資源。該設(shè)計(jì)兼?zhèn)淞烁咝阅艿腄SP數(shù)據(jù)處理能力和ARM的事件處理能力，不僅從測(cè)量精度上能夠滿足要求，而且從功能上也更加靈活、更加多元。

RN8302；Contex-M3；STM32F103RC；數(shù)字化；電力儀表

1 前言

電力儀表被廣泛用于輸變電系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，隨著配電配網(wǎng)方式的不斷升級(jí)和改進(jìn)，老式模擬儀表已經(jīng)不能夠滿足目前配電自動(dòng)化的要求。而伴隨半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，新型的數(shù)字化多功能電力儀表應(yīng)運(yùn)而生，其功能也在不斷的增加，不僅可以顯示當(dāng)前電量，而且能夠根據(jù)配電特點(diǎn)對(duì)歷史運(yùn)行情況進(jìn)行全面的分析、記錄，并能夠借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)所記錄和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多分析。將單片機(jī)與電能計(jì)量芯片配合使用將成為目前的主流設(shè)計(jì)思路。而本文中采用高性能A 理器和高精度電能計(jì)量芯片來實(shí)現(xiàn)儀 各種功能，借助于ARM強(qiáng)大的事件處理能力，能夠更加完善對(duì)數(shù)據(jù)的分析，更加友好的對(duì)數(shù)據(jù)的顯示，更加全面的對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和上傳。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)儀表的實(shí)現(xiàn)主要由電源，模擬量數(shù)據(jù)采集，模擬量輸出，開關(guān)量輸入/輸出，核心數(shù)據(jù)處理，人機(jī)交互和通訊等組成。其中電能計(jì)量芯片主要用于模擬量輸入的采集和電能脈沖的輸出。ARM將模擬數(shù)據(jù)采集和計(jì)算結(jié)果讀取并作進(jìn)一步的分析，并存儲(chǔ)分析結(jié)果，同時(shí)通過按鍵操作對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行控制，并根據(jù)通訊規(guī)約的設(shè)定對(duì)內(nèi)部所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見表1。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 模擬數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

采用RN8302作為模擬信號(hào)的采集單元，其內(nèi)部直接集成了運(yùn)放電路，AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算內(nèi)核，數(shù)據(jù)接口等。能夠在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，弱信號(hào)的變送，AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字化校準(zhǔn)，測(cè)量計(jì)算，電能累計(jì)等功能。其測(cè)量非線性誤差在0.1%以內(nèi)，能夠很好的滿足國家電網(wǎng)要求的0.5S和0.2S級(jí)多功能電表的要求。其設(shè)計(jì)思路為，將二次信號(hào)（380V/5A）經(jīng)過微型高精密變送器變?yōu)?00mV的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過防混疊阻容濾波后送入RN8302。RN8302會(huì)按照初始化好的參數(shù)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，采樣，計(jì)算，輸出。CPU通過RN8302上集成的SPI接口對(duì)其內(nèi)部各種運(yùn)算結(jié)果讀取。輸入的模擬信號(hào)有三相電壓和電流。接線方式有兩表法和三表法。同時(shí)RN8302的脈沖電度輸出接口可連接到數(shù)字信號(hào)輸出接口，實(shí)現(xiàn)脈沖電度輸出。（脈沖常數(shù)通過儀表設(shè)置實(shí)現(xiàn)）

3.2 核心數(shù)據(jù)處理單元

核心處理單元主要由以下及部分組成：核心處理器，EEPROM和RTC。核心處理器采用STMicroelectronics公司的ARM處理器STM32F103RC，這是一款A(yù)RM? Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)256K字節(jié)的閃存和48K字節(jié)的SRAM），并具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和外設(shè)的處理器。處理器通過其上面的SPI接口從數(shù)據(jù)采集單元（RN8302）中讀取當(dāng)前電壓，電流，功率，功率因數(shù)電度累加等。將讀取的數(shù)據(jù)做歷史分析，并存儲(chǔ)分析結(jié)果。EEPROM采用Atmel公司的AT25系列EEPROM存儲(chǔ)芯片AT25512。它是一款比較常用且經(jīng)濟(jì)的可編程電擦除只讀存儲(chǔ)器，操作簡(jiǎn)單，使用方便，性價(jià)比高，可靠性好，讀寫速度快。其內(nèi)部集成了64K的存儲(chǔ)空間，不僅能夠滿足目前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，并且留有部分?jǐn)U展，能夠最大限度地滿足后期擴(kuò)展需要。RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302作為時(shí)鐘芯片結(jié)合外部晶振和紐扣電池來實(shí)現(xiàn)。DS1302是由美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。

3.3 電源

電源部分采用隔離式小功率開關(guān)電源，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用反擊式，開關(guān)電源芯片采用LNK364。LNK364是Power Integrations公司的一款小功率、低成本、高效率開關(guān)電源控制器，其在一個(gè)芯片上包含了700V的功率MOSFET、振蕩器、開關(guān)控制、高壓切換的電流源、頻率抖動(dòng)、每個(gè)周期都檢測(cè)的電流限流及熱關(guān)斷電路。啟動(dòng)及工作時(shí)的功率直接來自于漏極引腳，無需使用偏置繞組及相關(guān)電路。設(shè)計(jì)輸入電壓90-265VAC，輸出5V 500mA、12V 100mA。

表1

3.4 通訊接口

485通訊接口通過處理器的通用串行通訊接口（USART）外設(shè)引出，經(jīng)過光耦隔離后送入485接口芯片（MAX485），由485接口芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩線制485通訊。

3.5 開關(guān)量輸入輸出

設(shè)計(jì)4路開關(guān)量輸入和2路開關(guān)量輸出。

結(jié)語

設(shè)計(jì)中采用了一體化采樣計(jì)算的智能電能計(jì)量芯片RN8302，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，外圍器件減少，提高了產(chǎn)品的可靠性。采用STM32F103RC作為管理主控器件，其內(nèi)部豐富的外設(shè)和外部接口使設(shè)計(jì)產(chǎn)品更加靈活，其內(nèi)豐富的內(nèi)存空間為制作更加人性化的人機(jī)接口提供了足夠的資源。

[1]銳能微.RN8302用戶手冊(cè)V1.1[Z].

[2] STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊(cè)V10_1[Z].

[3] STM32F103xCDE數(shù)據(jù)手冊(cè)（英文第5版）[Z].

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