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      基于國產計量SOC芯片的電能表設計

      發布日期:2022-06-06   來源:變頻器世界   作者:丁黎梅、張恩壽、楊津聽、張茹、李巧英   瀏覽次數:301
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      【摘   要】:摘要:電量計量SOC(System on Chip)芯片是專為電能的計量而設計的專用芯片,基于電量計量芯片可以方便的設計電能表,具有可讀

       要:電量計量SOCSystem on Chip芯片是專為電能的計量而設計的專用芯片,基于電量計量芯片可以方便的設計電能表,具有可讀參數多、計量方式多樣、準確度高的優點。就國產的電量計量SOC,提出一種多參數電能表的設計方案,通過調試和校表臺校準,精度可達大幅提高。

      關鍵詞:電量計量;SOC;電能表;精度;校表臺

       

      Design of Electric Energy Meter Based on Domestic SOC Chip

      Ding Limei ,ZHang Enshou,Yang Jinting,ZHang Ru,Li Qiaoying

      (1. Kunming Institute of Physics,Kunming 650231;

      2.Kunming Electric Appliance Research Institute, Kunming 650221;)

       

      Abstract: The SOC(System on Chip) is a special chip specially designed for the measurement of electric energy. It can be used to design the watt-hour meter conveniently, and has the advantages of more readable parameters, various measurement methods and high accuracy. A design of multi-parameter watt-hour meter based on the home-made SOC is presented. Through debugging and calibration, the precision can be greatly improved.

      Keywords: Electric metering; SOC; Watt-hour meter; Precision; Calibration table

       

      1  引言

      電能作為一種應用最廣泛的能源之一,其計量和統計的終端設備為電表[1-5],電表計量的準確性對企業生產管理及用能考核有較大影響,并且隨著“碳達峰”和“碳中和”概念的提出,合理用電,精確監控用電和挖掘節能點是企業未來的一個重要工作環節。電量計量SOC在高精度計量表被廣泛使用,主要的電量計量芯片廠家大部分為國外廠家,如亞德諾半導體、凌云半導體[6-12];國內主要有鉅泉光電、銳能微、貝嶺等,本文就銳能微的電量計量SOC芯片提出一種電能表設計方案,采用計量SOC+計量芯片的方式,SOC主要負責處理事件,計量芯片負責模數轉換,實現了電能相關的多參數測量,通過校準提高準確度[13-15]。

      2  硬件電路

      硬件上采用銳能微的RN8312 SOC芯片作為主控制器,電量計量芯片RN8302B作為模數轉換芯片,RN831232位高性能精簡指令集CPU,集成了電能表常用的外設,液晶驅動接口、EEPROM、RTC、7816、串口等功能;電量計量芯片RN8302B帶有7ADC通道,實現三相電壓電流及零線電流的采集,可以提供基波、全波有功、無功和視在電能,功率方向,基波、全波及諧波的電壓電流有效值,相序接錯判斷,失壓、過壓過流及電壓暫降檢測等功能。除了常規的電能脈沖校表法外,RN8302B還支持功率校表法。

      RN8312主要負責讀取參數、顯示、存儲參數和通訊,計量芯片負責電量參數的計算,RN8312RN8302B采用SPI協議進行通訊,通訊速率可達3.5Mbps。

      2.1  采樣電路

      RN8302B模擬輸入端采用差分輸入,三相電壓和電流輸入通道的幅值不能超過800mV,因此電壓和電流需要進行轉換才可以,設計采用電阻分壓方式對三相電壓進行采集,電流則通過電流互感器和采樣電阻進行采集。電流互感器二次側輸出微電流信號經采樣電阻后轉為電壓信號,經RC低通濾波器后采用差分模式輸入到計量芯片的ADC引腳。

      2.2  通訊電路

      設計兩路通訊電路,主要負責電表與上位機通訊,讀取參數和設置電表,通訊硬件設計為RS-485接口,軟件上支持MODBUS-RTUDLT645-2007兩種協議,通訊電路如圖1所示。

      2.3  電源電路

      電源電路采用三路,一路主供各芯片工作,一路供通訊電路,另外一路供RTC的實時時鐘電路。通訊電路電源和主供電源隔離,采用直流穩壓電源,經變壓器、整流橋及濾波電容后,經LDO轉為各幅值電壓,電源電路如圖2所示。


      2.4  存儲電路

      存儲電路主要分為兩塊,一塊用做存儲電表的配置參數,另外一塊用做事件記錄。硬件上配置參數存儲器采用EEPROM,事件記錄存儲器采用NOR FLASH,接口上配置參數存儲器采用IIC接口,事件記錄存儲器采用SPI接口。事件記錄存儲器采用文件方式對異常事件進行記錄,配合RTC實時時鐘,記錄時間和異常類型及其他參數,NOR FLASH掛載嵌入式文件系統FATFS,對文件進行讀寫等管理。

      2.5  計量電路

      計量芯片外圍電路如圖3所示,主要包括晶振,SPI接口,脈沖輸出等,晶振采用8.192MHz,在相關配置參數計算時晶振的值需要參與,因此晶振的值和精度與電表的精度相關。為了避免電磁干擾,SPI接口采用串接電阻,并且時鐘、主入從出、主出從入及片選信號都采用上拉,ADC接口采用差分輸入,在印制電路板設計時需要注意差分走線規則,盡量所有信號都走同一層。


      3  軟件設計

      軟件設計部分包括驅動程序和上位程序,驅動程序主要包括計量芯片的驅動、液晶顯示屏、存儲和通訊等外設驅動及文件系統FATFS、MODBUS-RTUDLT645-2007通訊協議適配。為提高精度,本文采用C#作為上位程序開發平臺,利用多功能電表的通訊接口讀取儀表的示值,計算各校正寄存器的值,通過通訊接口下發到儀表,寫入對應的寄存器,完成校準。

      3.1  RN8302驅動

      RN8302B初始化程序包括:SPI接口的配置和RN8302B的運行模式設置。SPI接口配置需要使能GPIOA的時鐘和SPI0的時鐘,將SPI接口的串行時鐘、主出從入設置為復用功能,主入從出設置為浮空輸入,片選信號設置為推挽輸出。SPI接口的時鐘極性設置為低電平,時鐘相位設置為上升沿采樣;數據端格式采用高字節在前,低字節在后格式;SPI數據幀的大小設置8位,即一個數據幀發送一個字節;片選信號采用軟件管理方式,通訊工作方式采用全雙工,SOC既可以讀取計量芯片的數據,也可以發送數據到計量芯片。

      RN8302B的運行模式主要包括設置工作在計量還是低功耗,輸出脈沖口配置,運行時的接線方式是三相三線制還是三相四線制,通道使能。運行模式設置配置步驟如下:1讀取芯片的ID號碼,如果讀回數據為0x830200,證明通訊正常,讀寫功能正常,芯片ID號碼寄存器地址為0x18f;2設置計量芯片工作在計量模式,往寄存器0x181寫入0xA2即可配置工作模式為計量模式;3復位計量芯片并等待20毫秒以上,往寄存器0x182寫入0xE5即復位計量芯片;4配置脈沖輸出口,計量芯片的CF1CF2引腳輸出為有功、無功和視在的選擇,類型選擇為基波或者全波,脈沖輸出口寄存器地址為0x160;5連接方式的配置,通過往寄存器地址0x186寫入0x33或者0x00,配置連接模式為三相三線制或者三相四線制;當寫入0x33時,配置為三相三線制;當寫入0x00時,配置為三相四線制。

      3.2  其他外設初始化

      其他外設如LCD接口、EEPROMIIC接口、NOR FLASHSPI接口、通訊RS-485USART接口、智能卡、紅外接口、按鍵等是電表的常用接口,LCD液晶屏采用段碼屏,考慮管腳復用問題,不采用SOC上的LCD接口管腳,采用外置LCD驅動芯片,其接口協議為IIC,存儲IIC接口初始化過程與之類似,首先使能GPIOCGPIOB時鐘,配置引腳為開漏復用輸出,設置IIC時鐘速率為400000和時鐘占空比為21,地址格式為7位,并且使能應答信號。讀寫前判斷IIC總線是否被占用,否則等待IIC總線被釋放。發送存儲地址或液晶屏的COM地址,并等待發送完成,然后再發送數據。EEPROM存儲器容量為64K字節,其地址大于256,需要分兩次傳輸,第一次先傳高字節,第二次傳低字節。

      NOR FLASH接口與RN8302B的接口相同,其初始化過程類似。該存儲器按頁和塊進行讀寫,其容量為8M字節。RS-485初始化包括:使能GPIOA時鐘,配置PA9、PA2為復用推挽輸出,PA10、PA3為浮空輸入,RS-485的波特率采用按鍵選擇,默認為9600bps;校驗方式設置為無校驗,字長設置為1個字節,停止位為1位,使能收發模式,不使用硬件流控制。

      3.3  協議的適配

      協議層主要是文件系統FATFS、通訊協議MODBUS-RTUDLT645-2007,文件系統掛載在NOR FLASH上,記錄運行過程中異常事件,以文件形式保存;FATFS需要注冊幾個基本函數,包括存儲設備狀態的獲取、存儲設備的初始化、存儲設備的讀寫、存儲設備的其他功能以及時間戳獲取,其中時間戳通過RTC實時時鐘獲得事件發生時的時刻,一同寫入文件中。通訊接口為兩路RS485,其中一路適配MODBUS-RTU協議,另外一路適配DLT645-2007。

      MODBUS-RTU的適配也需要注冊幾個文件,包括USART的接收緩沖區非空中斷和USART發送緩沖區空中斷的配置、USART的初始化、接收和發送一個字節功能以及中斷處理子程序,由于MODBUS-RTU的數據幀間隔有明確規定,需要滿足才能正確解析,因此需要采用定時器進行幀間隔控制,定時器采用通用定時器,定時器的注冊函數包括定時器的初始化、定時器更新中斷處理子程序、中斷的使能,最后需要映射輸入寄存器、保持寄存器、線圈的起始地址和定義,以及輸入寄存器、保持寄存器、線圈的處理函數。DLT645-2007協議的適配過程與此類似,注冊一些基本的底層函數。

      3.4  上位軟件校準

      RN8302B支持脈沖校準、功率校準和矢量校準等校準方法,通過標準源與所設計電表的示值進行比較和計算,往設置寄存器上寫入校正數據,即可實現電能表的校準,提高計量精度。

      本文選擇功率校準法作為校準,其步驟如下:






      4  結語

      本文提出的一種低成本、少量運算基于國產電量計量SOC和計量芯片設計的電表設計方案,由于相關電參量的獲取無需復雜的三角、累積運算,直接讀取計量芯片的寄存器值,節省了芯片內部的資源和運算開銷時間。通過利用計量芯片內部高精度ADC及相關完善的事件中斷,結合功率校表技術和C#軟件開發的校表平臺,電表的校表效率和準確度大幅提高,為電測儀表行業設計和校準提供了一種思路和實現方式。

       

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