摘 要： 為推動(dòng)電能管理行業(yè)的創(chuàng)新，為滿足單相系統(tǒng)的功耗和成本要求。飛思卡爾認(rèn)識(shí)到嵌入式控制和集成的連接接口將成為未來智能電網(wǎng)的中心，因而已經(jīng)開發(fā)出專用于智能電網(wǎng)應(yīng)用的新一代智能微控制器。采用MKM34Z128 MCU設(shè)計(jì)單相智能電表。該參考設(shè)計(jì)可為開發(fā)者提供完整的即插即用解決方案，以緩解成本和面市時(shí)間等問題，同時(shí)向一體化智能電網(wǎng)邁進(jìn)，希望對采用KM系列單片機(jī)設(shè)計(jì)智能電表的設(shè)計(jì)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞： 飛思卡爾； 單相電表； 智能電表； 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0125?03

Abstract： To promote the innovation of electric energy management industry and meet the requirement of power dissipation and cost in single phase system. Future smart power grid center with embedded control and integrated interface is realized by Freescale company， so a new generation of intelligent microcontroller specialized for smart power grid application was developed. The MKM34Z128 MCU is applied to design the single?phase smart electric meter， the reference design provides the entire plug and play solution for developers to reduce cost and time， the design moves forward to integrated smart power grid. The design of smart electric meter with KM series single chip will helpful to the designers.

Keywords： Freescale； single?phase electric meter； smart electric meter； hardware design

0 引 言

全球絕大多數(shù)的家用電表都是單相電表。借助飛思卡爾的MCU，用戶可以采用簡潔的集成式解決方案，設(shè)計(jì)出整合高分辨率ADC、PGA、RTC和篡改檢測功能的集成式單相電表。在某些情況下，MK30可用作處理通信協(xié)議的應(yīng)用處理器[1]。此外，該器件還具有用于計(jì)量應(yīng)用的獨(dú)立外部模擬前端。本文詳細(xì)描述基于KM系列微控制器的智能電表設(shè)計(jì)方法。

1 計(jì)量理論和配置

1.1 能量計(jì)介紹

2.2.2 輔助電池

輔助電池提供能量給能量計(jì)用以防止主要能量的缺失。當(dāng)按鍵按下時(shí)，輔助電池激活電表并且保持儀表能量充足直到LCD上參數(shù)都被瀏覽過，并且按鍵不能再被進(jìn)一步按壓，輔助電池電路如圖4所示[4]。

PON信號(hào)產(chǎn)生于電源提供部分，因此只有在主要電源不工作時(shí)輔助電源才能給儀表上電。鎖存信號(hào)LATCH的驅(qū)動(dòng)來自MCU，保持著能量計(jì)處于開的狀態(tài)直到按鈕被按壓。

2.3 顯示界面

LCD可以顯示輸入、輸出、提前、滯后、kW，kVAr，kWh，kVArh，篡改的次數(shù)、最大需量、日期、時(shí)間、頻率等，顯示界面如圖5所示。LCD沒有一個(gè)內(nèi)置背光燈，需要使用外部的燈使屏幕和信息顯而易見。圖6所示電路是實(shí)現(xiàn) LCD背光燈的電路圖。背光燈從顯示屏的背后照亮了LCD，這將提高它在光線不良情況下的可讀性[5?6]。

2.4 模擬信號(hào)控制

信號(hào)調(diào)節(jié)塊被用來把電壓和負(fù)載電流調(diào)節(jié)到芯片需要的電壓水平。信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖如圖7所示。

分流電阻安放在相位元件上而電流互感器安放在中性元件上，如果PGA的增益為8的話，500 μΩ的分流器在電流為44 A時(shí)會(huì)達(dá)到飽和。二次電流互感器上的10 Ω負(fù)載電阻器當(dāng)電流值是44 A時(shí)達(dá)到飽和。對于這些信號(hào)來說，像電位平移和外部增益這些信號(hào)調(diào)節(jié)是不需要的。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)是用來降低電壓到一個(gè)可測量的水平。

2.5 打開篡改檢測

當(dāng)外殼上蓋關(guān)閉時(shí)，SW2開關(guān)連接位置將會(huì)打開。這將會(huì)被認(rèn)為是無干擾條件，并且BT1不會(huì)通過[R31]負(fù)載。當(dāng)外殼上蓋打開時(shí)，SW2開關(guān)連接位置將會(huì)關(guān)閉。這是干擾環(huán)境且BT1會(huì)通過[R31]負(fù)載。當(dāng)開關(guān)SW2關(guān)閉時(shí)也有計(jì)量系統(tǒng)電量的準(zhǔn)備。電池電壓通過電阻[R31]處會(huì)下降，并且電壓值出現(xiàn)在篡改引腳處。篡改引腳將會(huì)被內(nèi)置RTC檢測到。這種打開篡改即使在沒電的情況下也可以被檢測到。這將會(huì)連接備用電池給系統(tǒng)供應(yīng)電量[2]。圖8給出了開蓋篡改電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括測量，數(shù)據(jù)庫，用戶界面和通信模塊。軟件體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行在基于KM控制器的定制內(nèi)核上。該控制器采用外部時(shí)鐘源和鎖相環(huán)產(chǎn)生12.28 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。

軟件主要功能模塊包括：測量模塊，數(shù)據(jù)庫管理模塊，用戶接口模塊，通信模塊。

3.1 硬件資源分配

表2列出了用于計(jì)量應(yīng)用的單片機(jī)資源。

3.2 儀表啟動(dòng)順序

當(dāng)完成引導(dǎo)，根據(jù)供應(yīng)情況和喚醒模式（從復(fù)位），測量設(shè)備花一些時(shí)間安定下來進(jìn)入模式。該軟件首先檢查從調(diào)節(jié)器的輸出是否為低。如果是，那么沒有電源外部按鍵喚醒儀表，應(yīng)該允許用戶通過通信讀取或滾動(dòng)顯示列表。在儀表運(yùn)行過程中，電源的變化可能導(dǎo)致需要切換到另一個(gè)模式。模式的切換流程圖如圖9所示。

4 結(jié) 論

本文采用MKM34Z128 MCU設(shè)計(jì)單相智能電表。該MCU采用低功耗、高性能32位ARM?CortexTM?M0+內(nèi)核。本文詳細(xì)介紹了該芯片設(shè)計(jì)電表的硬件結(jié)構(gòu)及其軟件設(shè)計(jì)，希望對采用KM系列單片機(jī)設(shè)計(jì)智能電表的設(shè)計(jì)人員有所幫助。

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