基于Kinetis微控制器的三相電表設計

　　3 系統功能

　　3.1 功能模塊

　　3.1.1 計量單元

　　本設計采用了Kinetis M系列MCU KM14作為計量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0+內核，適用于單芯片1、2和3相電表和流量計，以及其他高精度測量應用。Kinetis M系列MCU包括一個(gè)由多個(gè)24位Σ-ΔADC組成的強大的模擬前端、多個(gè)可編程增益放大器，還包括低溫度漂移的參考電壓以及一個(gè)相移補償器。

　　該設計另一個(gè)特點(diǎn)是高精度的計量，可以進(jìn)行諧波分析，包括每一個(gè)諧波分量的計算。內嵌的32×32乘法器，可以很好地支持諧波計量算法和復雜電能參數的計量。整個(gè)設計能夠完全滿(mǎn)足國家電表最高等級電表的要求。

　　該電表的計量部分將傳統的4種低功耗模式換成了11種低功耗模式，可以靈活配置。系統的低功耗得益于Cortex-M0+內核、飛思卡爾薄膜存儲器(TFS) Flash工藝以及外設的低功耗設計。除了低功耗，該設計有加密和安全模塊，符合AES、ECC和RSA的認證。

　　3.1.2 主控單元

　　電表的電源管理、輸出顯示、按鈕輸入、時(shí)間計算等一系列處理還需要有核心微處理器，出于綜合考慮，本設計采用了Kinetis L系列KL36作為系統控制器。Kinetis L系列MCU集新型ARM Cortex-M0+處理器的卓越能效和易用性與Kinetis 32位MCU組合的性能、豐富的外設集、支持功能和可擴展性于一身。有了Kinetis L系列，設計者不再因限制功耗的問(wèn)題而拘泥于8位和16位MCU。

　　4 軟件設計

　　該設計的軟件開(kāi)發(fā)并不是從零開(kāi)始，可以采用飛思卡爾的應用架構、基于濾波器的計量算法(如希爾波特濾波器)和FFT計量算法。其中，基于FFT的諧波分析算法在64點(diǎn)的FFT時(shí)，可以支持32次諧波。飛思卡爾提供的算法庫用來(lái)幫助精確計算有功、無(wú)功、總功率等。

　　5 通信協(xié)議

　　三相電表數據通信接口是為配合電力系統實(shí)現用電管理現代化而設計的。從前文中，我們可以知道本設計有兩路隔離RS-485輸出。

　　RS-485采用差分信號負邏輯，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有兩線(xiàn)制和四線(xiàn)制兩種接線(xiàn)，現在多采用的是兩線(xiàn)制接線(xiàn)方式，這種接線(xiàn)方式為總線(xiàn)式拓撲結構，在同一總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)節點(diǎn)。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò )中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機帶多個(gè)從機。在使用RS-485接口時(shí)，對于特定的傳輸線(xiàn)路，從RS-485接口到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長(cháng)度與信號傳輸的波特率成反比，這個(gè)長(cháng)度數據主要是受信號失真及噪聲等因素所影響。理論上，通信速率在100 kp/s及以下時(shí)，RS-485的最長(cháng)傳輸距離可達1 200 m。

　　6 仿真實(shí)驗

　　該設計的目的就是在保持低功耗的同時(shí)達到高精度，仿真測試結果表明，該設計具有優(yōu)良的測量精度，并且保持低功耗，如圖2所示。

　　按照圖1所示的原理圖設計的最終產(chǎn)品如圖3所示，從圖3可以看出，該設計體積緊湊，符合國際要求。