徐京生 / 華立科技股份有限公司

基于HT5017芯片的SoC單相智能電表

徐京生 / 華立科技股份有限公司

采用SoC方案設(shè)計了一款高準(zhǔn)確度、低成本、低功耗的單相智能電能表。該電能表采用SoC芯片HT5017作為控制核心。HT5017是一顆低功耗、高性能的單相電能計量SoC芯片，片內(nèi)集成了32-bit ARM內(nèi)核、128 K flash和8 K SRAM，其支持?jǐn)嘞喾栏`電功能的硬件EMU模塊，帶有溫度自補(bǔ)償功能的高準(zhǔn)確度RTC模塊以及LCD驅(qū)動器。該設(shè)計為單相多功能、防竊電電能表提供了高集成的單芯片解決方案。小批生產(chǎn)結(jié)果表明，所設(shè)計的電表完全滿足海外客戶的技術(shù)要求，具有廣泛的市場推廣價值。

SoC；電能計量；單相智能電能表；HT5017

0 引言

當(dāng)前，通用的分立設(shè)計方案電能表一般采用微控制器單元（Micro Control Unit，MCU）加專用計量芯片、時鐘芯片和液晶驅(qū)動芯片等外圍器件的獨(dú)立芯片完成獨(dú)立的計量、時鐘、液晶顯示（liquid crystal display，LCD）和數(shù)據(jù)管理功能[1]。其中專用的計量芯片完成電信號的測量和計量；MCU通過通信接口從計量芯片獲取計量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；時鐘芯片實現(xiàn)日歷時鐘；液晶驅(qū)動芯片完成液晶顯示功能。很明顯，電能表的現(xiàn)有分立設(shè)計方案存在硬件電路復(fù)雜、可靠性差、集成度低、生產(chǎn)效率低以及成本居高不下等問題。

隨著智能電網(wǎng)的興起和發(fā)展，電能表市場對智能電能表性能的要求進(jìn)一步提高，同時對成本和尺寸的要求也越來越高，因此現(xiàn)有分立設(shè)計方案已經(jīng)不能滿足新型智能電能表的最新需求[2]。另一方面，隨著片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）技術(shù)的日益成熟以及在各個行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用，電表行業(yè)也已經(jīng)將模數(shù)混合的SoC芯片引入智能電能表的設(shè)計[3]。

針對以上問題并結(jié)合智能電能表的技術(shù)發(fā)展趨勢，本文采用SoC方案設(shè)計了一款高準(zhǔn)確度、低成本、低功耗的單相智能電能表。與傳統(tǒng)分立設(shè)計方案相比，該技術(shù)方案價格優(yōu)勢明顯，性價比高。SoC芯片內(nèi)集成32-bit ARM內(nèi)核、128 K flash、8 K SRAM，支持?jǐn)嘞喾栏`電功能的硬件能量計量單元（Energy Measurement Unit，EMU）模塊，帶有溫度自補(bǔ)償功能的高準(zhǔn)確度實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）模塊以及LCD驅(qū)動等外設(shè)資源，從而利用一顆這樣的芯片就可以實現(xiàn)電能表的計量、時鐘、LCD顯示和數(shù)據(jù)管理等功能。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的單相智能電能表主要由表計主控芯片部分（SoC）、液晶顯示模塊、存儲模塊、射頻（Radio Frequency，RF）通信模塊、近紅外通信模塊、脈沖輸出管理模塊、電源模塊、電流互感器電流采樣電路、錳銅分流器電流采樣電路、電壓分壓電壓信號采樣電路等部分構(gòu)成。系統(tǒng)以SoC芯片HT5017為控制核心，配合相應(yīng)的功能模塊完成電參數(shù)測量等功能。其硬件原理框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

本設(shè)計采用集成度高、功能強(qiáng)大的SoC芯片方案，其工作原理如下：利用SoC芯片內(nèi)部集成的三路高準(zhǔn)確度模數(shù)（Analog to Digital，AD）轉(zhuǎn)換器對火線電流（錳銅回路）、零線電流（電流互感器回路）、電壓分別采樣，將其量化并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算完成對電參數(shù)測量、電能量累計等工作及脈沖輸出；通過SoC內(nèi)部集成的LCD驅(qū)動器驅(qū)動外部液晶顯示模塊顯示電表的相關(guān)狀態(tài)信息及用戶需要的電參數(shù)數(shù)據(jù)；SoC內(nèi)部有三個串口，完全滿足RF通信、近紅外通信等通信接口的要求，非常容易實現(xiàn)用戶和智能電表之間的數(shù)據(jù)交互；由存儲模塊存儲電表配置參數(shù)、電量數(shù)據(jù)、負(fù)荷曲線與事件記錄信息；通過SoC內(nèi)部豐富的普通輸入輸出（Common Input and Output，GPIO）口和中斷資源完成編程按鍵查詢、開蓋檢測、報警輸入和背光控制以及發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）脈沖輸出等功能；電池模塊用來支持停電顯示功能。

圖1 硬件原理框圖

2 HT5017芯片的工作原理

2.1 HT5017的特點[4]

主控芯片HT5017是一顆低功耗、高性能的單相電能計量SoC芯片，片內(nèi)集成32-bit ARM內(nèi)核、128 K flash、8 K SRAM，支持?jǐn)嘞喾栏`電功能的硬件EMU模塊，其帶有溫度自補(bǔ)償功能的高準(zhǔn)確度RTC模塊，并具有LCD驅(qū)動等功能。

2.1.1 基本特點

1）工作電壓范圍：2.0～5.5 V；

2）工作溫度范圍：-40～85 ℃；

3）無鉛綠色封裝：低輪廓四方扁平封裝（Low Profile Quad Flat Package，LQFP64）。

2.1.2 處理器及外設(shè)

1）基于ARM 32-bit Cortex-M0 CPU Core設(shè)計，支持Thumb-2 指令集，包含嵌套向量中斷控制器NVIC以及可擴(kuò)展的調(diào)試技術(shù)。

2）存儲器資源：128 K Flash + 512 bytes Information Block、8 K SRAM。

3）高速系統(tǒng)時鐘：采用鎖相環(huán)環(huán)路（Phase-Locked Loop，PLL）倍頻模式。插入等待中央處理器（Central Processing Uint,CPU）最高工作頻率39.32 MHz，無等待CPU最高工作頻率19.66 MHz。

4）系統(tǒng)低功耗：待機(jī)模式（Hold模式）下最低功耗3.7 μA，睡眠模式（Sleep模式）下最低功耗2.9 μA。

5）具有電源監(jiān)測功能，外部系統(tǒng)電源VSYS和電池輸入VBAT兩個電源內(nèi)部切換。

6）RTC模塊：外置32 K低頻晶體和集成晶體所需電阻、電容；內(nèi)置RTC溫度曲線數(shù)字補(bǔ)償系數(shù)，在全溫度范圍內(nèi)對溫度變化帶來的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，無需用戶軟件參與；外部OSC晶振停振時，系統(tǒng)可切換至內(nèi)部低頻RC獲得計時時間。

7）高準(zhǔn)確度溫度傳感器（Precision Temperature Sensor，TPS）：-40 ～ 85 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度傳感器一致性優(yōu)于±0.5 ℃。

8）LCD：支持4COM、6COM、8COM的LCD顯示，最多支持SEG接口43段。

9）最多支持六路UART，其中復(fù)用兩路硬件7816協(xié)議功能。

10）正常模式下，看門狗（Watchdog，WDT）模塊不可關(guān)閉，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

11）內(nèi)置按鍵掃描功能，支持1×4，2×4，3×4，4×4四種鍵盤掃描。

2.1.3 電能計量

1）有功電能測量誤差小于±0.1%，動態(tài)范圍大于5000∶1，滿足IEC 62053-21-2003[5]、IEC 62053-22-2003[6]、IEC 62053-23-2003的技術(shù)要求[7]。

2）三路∑-ΔADC，可同時輸出兩個計量通道的參數(shù)，支持靈活的防竊電功能。

3）提供有功功率、無功功率、視在功率，有功能量、無功能量、視在能量。

4）支持有功、無功、視在脈沖輸出，并開放脈沖計數(shù)寄存器。

5）提供高準(zhǔn)確度有效值、頻率、ADC波形數(shù)據(jù)等計量參數(shù)。

6）提供多種能量累加方式選擇。

7）支持增益誤差、相位誤差的軟件校表。

8）分別提供兩個計量通道的可配置防潛動功能。

9）支持EMU低功耗模式：EMU低功耗工作頻率可配置為204.8 kHz或32 kHz，支持掉零線、掉火線的防竊電計量以及低功耗連續(xù)計量，系統(tǒng)功耗優(yōu)于650 μA。

10）支持直流計量。

11）支持單相三線計量制。

12）片內(nèi)基準(zhǔn)電壓：1.2 V，溫度系數(shù)±10 ×10-6℃-1。

2.2 HT5017芯片的優(yōu)缺點

HT5017是一款單相專用電能計量系統(tǒng)芯片。芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)、功能強(qiáng)大并經(jīng)過嚴(yán)格測試。使用HT5017進(jìn)行電能表的開發(fā)具有如下明顯優(yōu)勢：

1）由于高度集成，芯片對溫度、濕度以及電磁干擾的敏感度大幅度降低，系統(tǒng)的性能和可靠性在一定程度上得到提高。

2）內(nèi)部功能模塊豐富，在應(yīng)用該芯片進(jìn)行電能表設(shè)計時可以省去很多外圍的功能芯片，如專門的計量芯片、實時時鐘芯片、LCD液晶驅(qū)動芯片、掉電檢查芯片、硬件看門狗等，系統(tǒng)成本進(jìn)一步降低。

在使用該芯片開發(fā)產(chǎn)品的過程中，發(fā)現(xiàn)前面一批10萬片中有一個明顯的缺點，即是芯片內(nèi)部的TPS電路有缺陷，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是功耗偏大，TPS電路重新設(shè)計升級后功耗正常。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

電能表主要功能分為測量、處理和顯示等部分。電壓、電流信號經(jīng)采樣電路輸入到主控SoC芯片，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器變換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算求出電壓、電流、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，通過通信接口與外界通信，同時記錄存儲電量數(shù)據(jù)和事件信息及進(jìn)行人機(jī)交互等。下面對主要的功能單元進(jìn)行說明。

3.1 計量單元

3.1.1 計量部分硬件電路

電壓信號采樣電路如圖1所示。電壓通過電壓網(wǎng)絡(luò)降壓和電阻電容（Resistor-Capacitor，RC）低通濾波器電路輸入到SoC芯片。由于SoC芯片支持差分信號輸入，所以無需對交流電壓信號疊加基準(zhǔn)電平。電壓采樣電路中，電阻R9，R10，R11，R12，R13是降壓電阻，從而在電阻R14和R15兩端產(chǎn)生與輸入電壓成比例縮小的低電壓信號。由于HT5017 ADC輸入電壓幅值不能超過800 mV，電阻取值必須是信號降低到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Conversion，ADC）的輸入范圍以內(nèi)。然后電壓分壓信號經(jīng)過由R70，R14，R16組成的RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抗混疊濾波以濾除干擾信號，最后輸入到SoC芯片。

錳銅電流信號采樣電路如圖2所示?；鹁€電流通過錳銅、負(fù)載電阻和RC低通濾波電路輸入到SoC芯片。

電流互感器（Current Transformer，CT）電流信號采樣電路如圖3所示。零線電流通過CT、負(fù)載電阻和RC低通濾波電路輸入到SoC芯片。電流信號通過電流互感器CT到電流采樣電路中，其中電阻R21和R23是電流互感器的負(fù)載電阻，用于將互感器次級線圈的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，同時將信號調(diào)整到ADC輸入范圍。電流取樣信號經(jīng)RC低通濾波器濾波后輸入到SoC芯片。由于錳銅取樣后的信號相當(dāng)微弱，因此可以設(shè)置片上ADC的模擬增益放大器（Analog Gain Amplifier，PGA）前端的放大增益為16倍，這樣信號就能在一個合理的輸入范圍之內(nèi)了。

圖1 電壓信號采樣電路

圖2 錳銅電流信號采樣電路

圖3 CT電流信號采樣電路

3.1.2 計量軟件實現(xiàn)流程及舉例

計量軟件的主要功能是實現(xiàn)基于HT5017的單相智能表的計量單元。電能計量單元EMU包括三路完全獨(dú)立的Σ-ΔADC以及數(shù)字信號處理部分。三路ADC完成兩路電流信號和一路電壓信號的采樣，數(shù)字信號處理部分完成有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能。

通過特殊功能寄存器（Special Function Registers， SFR）寄存和中斷的方式可以對數(shù)字信號處理部分進(jìn)行校表參數(shù)配置和計量參數(shù)讀取；計量的結(jié)果還可通過PF/QF/SF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差對比。

軟件提供專門的通信接口對計量參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程的通信利用IEC 62056-21-2003規(guī)約。

表計程序流程圖如圖4所示。

圖4 整表程序流程

3.2 顯示單元

通過SoC內(nèi)部的LCD驅(qū)動器直接驅(qū)動外部段式液晶模塊進(jìn)行顯示。LCD驅(qū)動電路如圖5所示。圖中SEG0-SEG12為段輸出，COM0-COM3為公共輸出，接LCD背極；左邊的17個電容用于濾除干擾信號，提高整表的靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）和電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）性能。對LCD的軟件配置很方便，配置好LCD模塊的時鐘源flcd周期、快速充電模式以及能實際使用的SEG腳后，根據(jù)顯示內(nèi)容與LCD各段的映射關(guān)系將數(shù)據(jù)寫入LCD內(nèi)存寄存器即可。

3.3 時鐘單元

采用SoC集成的RTC模塊實現(xiàn)時鐘日歷功能。在RTC模塊中內(nèi)置了RTC溫度曲線數(shù)字補(bǔ)償系數(shù)，可在全溫度范圍內(nèi)對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3.4 通信單元

采用SoC的UART3作為RF通信的接口。UART4作為近紅外通信的接口，將其中的兩個GPIO口模擬為內(nèi)部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信接口。

圖5 液晶驅(qū)動電路

4 樣表實驗結(jié)果

基于HT5017的單相智能電表在完成硬件電路原理設(shè)計、線路板設(shè)計、電路模塊的元器件焊接、整體調(diào)試和校表后對其進(jìn)行了基本誤差試驗。在Un條件下，基本誤差試驗電流點為0.05Ib，0.10Ib，Ib，Imax（Ib為基本電流，Ib=10 A，Imax為最大電流，Imax=40 A，Un=240 V）。每個試驗電流點分別測試了1.0、0.5L、0.8C功率因數(shù)的誤差，樣表功率因素的誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 樣表功率因素的誤差數(shù)據(jù)

由表1可見，樣表功率因素的誤差控制在0.05%之內(nèi)，符合內(nèi)控的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)確度優(yōu)于IEC 62053-21-2003中1級電能表的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

該單相智能電能表可以用于商業(yè)計量和家庭計量中測試無功電能和有功電能，其測量準(zhǔn)確度滿足IEC 62053-21-2003中1級單相電能表的技術(shù)要求。與傳統(tǒng)分立設(shè)計方案相比，該單相電能表具有更高的性價比和可靠性、更強(qiáng)的可擴(kuò)展性以及更高的市場競爭力，與競爭對手相比具有更低的價格，更高的性能和準(zhǔn)確度。該款電能表已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，是一款值得市場大力推廣的單相智能電能表。

[1]尚淑霞，賈濤，張波，等.基于ATT7022A的多功能電能表設(shè)計[J].2008（12）：97-99.

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[5]IEC.IEC 62053-21-2003電量測量設(shè)備（交流電）.特殊要求.第21部分：靜態(tài)電度表（1和2級）[S].Bruessels，2003.

[6]IEC.IEC 62053-22 電量測量設(shè)備（交流電）.特殊要求.第22部分：靜態(tài)電度表(0.2S和0.5S級)[S].Bruessels，2003.

[7]IEC.IEC 62053-23 電量測量設(shè)備（交流電）.特殊要求.第22部分：靜態(tài)乏時計（2和3級）[S].Bruessels，2003.

A single-phase smart electric energy meter based on SoC of HT5017

Xu Jingsheng
（Holley Technology Co., Ltd.）

A high-precision, low-cost, low-power single-phase smart electric energy meter is designed by adopting SoC chip HT5017 as a control core.HT5017 is a low-power, high-performance single-phase energy metering SoC chip, in which 32-bit ARM core, 128 K flash and 8K SRAM are integrated, which supports hardware EMU module with open-phase anti-tamper features and high-precision RTC module with temperature compensation functions, as well as LCD drivers.The design provides a highly integrated single-chip solution for single-phase, multifunctional, anti-tampering electric energy meter.Results of small batch production show that the single-phase smart electric energy meter could completely meet the technical requirements of overseas customers with a wide range of marketing value.

system on chip(SoC); energy metering; single-phase smart electric energy meter; HT5017