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基于国产计量SOC芯片的电能表设计

发布日期:2022-06-06   来源:变频器世界   作者:丁黎梅、张恩寿、杨津听、张茹、李巧英   浏览次数:1458
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【摘   要】:摘要:电量计量SOC(System on Chip)芯片是专为电能的计量而设计的专用芯片,基于电量计量芯片可以方便的设计电能表,具有可读

 要:电量计量SOCSystem on Chip芯片是专为电能的计量而设计的专用芯片,基于电量计量芯片可以方便的设计电能表,具有可读参数多、计量方式多样、准确度高的优点。就国产的电量计量SOC提出一种多参数电能表的设计方案,通过调试和校表台校准,精度可达大幅提高

关键词:电量计量;SOC;电能表;精度;校表台

 

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

电能作为一种应用最广泛的能源之一,其计量和统计的终端设备为电表[1-5],电表计量的准确性对企业生产管理及用能考核有较大影响,并且随着“碳达峰”和“碳中和”概念的提出,合理用电,精确监控用电和挖掘节能点是企业未来的一个重要工作环节。电量计量SOC在高精度计量表被广泛使用,主要的电量计量芯片厂家大部分为国外厂家,如亚德诺半导体、凌云半导体[6-12];国内主要有钜泉光电、锐能微、贝岭等,本文就锐能微的电量计量SOC芯片提出一种电能表设计方案,采用计量SOC+计量芯片的方式,SOC主要负责处理事件,计量芯片负责模数转换,实现了电能相关的多参数测量,通过校准提高准确度[13-15]

2  硬件电路

硬件上采用锐能微的RN8312 SOC芯片作为主控制器,电量计量芯片RN8302B作为模数转换芯片,RN831232位高性能精简指令集CPU,集成了电能表常用的外设,液晶驱动接口、EEPROMRTC7816、串口等功能;电量计量芯片RN8302B带有7ADC通道,实现三相电压电流及零线电流的采集,可以提供基波、全波有功、无功和视在电能,功率方向,基波、全波及谐波的电压电流有效值,相序接错判断,失压、过压过流及电压暂降检测等功能。除了常规的电能脉冲校表法外,RN8302B还支持功率校表法。

RN8312主要负责读取参数、显示、存储参数和通讯,计量芯片负责电量参数的计算,RN8312RN8302B采用SPI协议进行通讯,通讯速率可达3.5Mbps

2.1  采样电路

RN8302B模拟输入端采用差分输入,三相电压和电流输入通道的幅值不能超过800mV,因此电压和电流需要进行转换才可以,设计采用电阻分压方式对三相电压进行采集,电流则通过电流互感器和采样电阻进行采集。电流互感器二次侧输出微电流信号经采样电阻后转为电压信号,经RC低通滤波器后采用差分模式输入到计量芯片的ADC引脚。

2.2  通讯电路

设计两路通讯电路,主要负责电表与上位机通讯,读取参数和设置电表,通讯硬件设计为RS-485接口,软件上支持MODBUS-RTUDLT645-2007两种协议,通讯电路如图1所示。

2.3  电源电路

电源电路采用三路,一路主供各芯片工作,一路供通讯电路,另外一路供RTC的实时时钟电路。通讯电路电源和主供电源隔离,采用直流稳压电源,经变压器、整流桥及滤波电容后,经LDO转为各幅值电压,电源电路如图2所示。


2.4  存储电路

存储电路主要分为两块,一块用做存储电表的配置参数,另外一块用做事件记录。硬件上配置参数存储器采用EEPROM,事件记录存储器采用NOR FLASH,接口上配置参数存储器采用IIC接口,事件记录存储器采用SPI接口。事件记录存储器采用文件方式对异常事件进行记录,配合RTC实时时钟,记录时间和异常类型及其他参数,NOR FLASH挂载嵌入式文件系统FATFS,对文件进行读写等管理。

2.5  计量电路

计量芯片外围电路如图3所示,主要包括晶振,SPI接口,脉冲输出等,晶振采用8.192MHz,在相关配置参数计算时晶振的值需要参与,因此晶振的值和精度与电表的精度相关。为了避免电磁干扰,SPI接口采用串接电阻,并且时钟、主入从出、主出从入及片选信号都采用上拉,ADC接口采用差分输入,在印制电路板设计时需要注意差分走线规则,尽量所有信号都走同一层。


3  软件设计

软件设计部分包括驱动程序和上位程序,驱动程序主要包括计量芯片的驱动、液晶显示屏、存储和通讯等外设驱动及文件系统FATFSMODBUS-RTUDLT645-2007通讯协议适配。为提高精度,本文采用C#作为上位程序开发平台,利用多功能电表的通讯接口读取仪表的示值,计算各校正寄存器的值,通过通讯接口下发到仪表,写入对应的寄存器,完成校准。

3.1  RN8302驱动

RN8302B初始化程序包括:SPI接口的配置和RN8302B的运行模式设置。SPI接口配置需要使能GPIOA的时钟和SPI0的时钟,将SPI接口的串行时钟、主出从入设置为复用功能,主入从出设置为浮空输入,片选信号设置为推挽输出。SPI接口的时钟极性设置为低电平,时钟相位设置为上升沿采样;数据端格式采用高字节在前,低字节在后格式;SPI数据帧的大小设置8位,即一个数据帧发送一个字节;片选信号采用软件管理方式,通讯工作方式采用全双工,SOC既可以读取计量芯片的数据,也可以发送数据到计量芯片。

RN8302B的运行模式主要包括设置工作在计量还是低功耗,输出脉冲口配置,运行时的接线方式是三相三线制还是三相四线制,通道使能。运行模式设置配置步骤如下:1读取芯片的ID号码,如果读回数据为0x830200,证明通讯正常,读写功能正常,芯片ID号码寄存器地址为0x18f2设置计量芯片工作在计量模式,往寄存器0x181写入0xA2即可配置工作模式为计量模式;3复位计量芯片并等待20毫秒以上,往寄存器0x182写入0xE5即复位计量芯片;4配置脉冲输出口,计量芯片的CF1CF2引脚输出为有功、无功和视在的选择,类型选择为基波或者全波,脉冲输出口寄存器地址为0x1605连接方式的配置,通过往寄存器地址0x186写入0x33或者0x00,配置连接模式为三相三线制或者三相四线制;当写入0x33时,配置为三相三线制;当写入0x00时,配置为三相四线制。

3.2  其他外设初始化

其他外设如LCD接口、EEPROMIIC接口、NOR FLASHSPI接口、通讯RS-485USART接口、智能卡、红外接口、按键等是电表的常用接口,LCD液晶屏采用段码屏,考虑管脚复用问题,不采用SOC上的LCD接口管脚,采用外置LCD驱动芯片,其接口协议为IIC,存储IIC接口初始化过程与之类似,首先使能GPIOCGPIOB时钟,配置引脚为开漏复用输出,设置IIC时钟速率为400000和时钟占空比为21,地址格式为7位,并且使能应答信号。读写前判断IIC总线是否被占用,否则等待IIC总线被释放。发送存储地址或液晶屏的COM地址,并等待发送完成,然后再发送数据。EEPROM存储器容量为64K字节,其地址大于256,需要分两次传输,第一次先传高字节,第二次传低字节。

NOR FLASH接口与RN8302B的接口相同,其初始化过程类似。该存储器按页和块进行读写,其容量为8M字节。RS-485初始化包括:使能GPIOA时钟,配置PA9PA2为复用推挽输出,PA10PA3为浮空输入,RS-485的波特率采用按键选择,默认为9600bps;校验方式设置为无校验,字长设置为1个字节,停止位为1位,使能收发模式,不使用硬件流控制。

3.3  协议的适配

协议层主要是文件系统FATFS、通讯协议MODBUS-RTUDLT645-2007,文件系统挂载在NOR FLASH上,记录运行过程中异常事件,以文件形式保存;FATFS需要注册几个基本函数,包括存储设备状态的获取、存储设备的初始化、存储设备的读写、存储设备的其他功能以及时间戳获取,其中时间戳通过RTC实时时钟获得事件发生时的时刻,一同写入文件中。通讯接口为两路RS485,其中一路适配MODBUS-RTU协议,另外一路适配DLT645-2007

MODBUS-RTU的适配也需要注册几个文件,包括USART的接收缓冲区非空中断和USART发送缓冲区空中断的配置、USART的初始化、接收和发送一个字节功能以及中断处理子程序,由于MODBUS-RTU的数据帧间隔有明确规定,需要满足才能正确解析,因此需要采用定时器进行帧间隔控制,定时器采用通用定时器,定时器的注册函数包括定时器的初始化、定时器更新中断处理子程序、中断的使能,最后需要映射输入寄存器、保持寄存器、线圈的起始地址和定义,以及输入寄存器、保持寄存器、线圈的处理函数。DLT645-2007协议的适配过程与此类似,注册一些基本的底层函数。

3.4  上位软件校准

RN8302B支持脉冲校准、功率校准和矢量校准等校准方法,通过标准源与所设计电表的示值进行比较和计算,往设置寄存器上写入校正数据,即可实现电能表的校准,提高计量精度。

本文选择功率校准法作为校准,其步骤如下:






4  结语

本文提出的一种低成本、少量运算基于国产电量计量SOC和计量芯片设计的电表设计方案,由于相关电参量的获取无需复杂的三角、累积运算,直接读取计量芯片的寄存器值,节省了芯片内部的资源和运算开销时间。通过利用计量芯片内部高精度ADC及相关完善的事件中断,结合功率校表技术和C#软件开发的校表平台,电表的校表效率和准确度大幅提高,为电测仪表行业设计和校准提供了一种思路和实现方式。

 

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