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CORTEX-M3与STM32_M3内核STM32的三相多功能电能表解决方案

2018年04月10日 15:44 次阅读

电能表作为电能计量的基本设备,受到国家电力部门的长期重视,电能表生产企业更是不遗余力地寻求设计与开发性能俱佳且成本更低的解决方案。目前国内的电能表设计已经走过了由8位MCU向通用DSP甚至专用DSP的变革,通用DSP的应用方案的劣势在于DSP的专业应用和嵌入程度不够深的问题,成本偏高;而专用 DSP功能相对固定,这样给电能表设计和生产厂家带来功能差异化空间不足的困难。基于ARM的方案也已经出现,但是适合应用的ARM7 TDMI在性能上不尽人意,同时外设资源不足;而更高端的ARM9系统的复杂程度很高,成本也较高。选择一颗合适且低成本的微处理器日益成为电能表行业的关键所在,直到意法半导体公司(STMicroelectronic公司,下称ST)STM32的出现为电能表设计的专门化和定制化带来了崭新的机遇和空间。

一、关于CORTEX-M3与STM32

2005年ARM公司发布其最新一代ARM v7内核,命名为Cortex,同ARM7/9/10/11相比在架构上有了革命性突破,性能上更是本质的飞越,Cortex系列包含三个系列,-A/-R/-M。Cortex-M3特别针对功耗和价格敏感的嵌入应用领域,同时具备高性能,它采用高效的哈佛结构三级流水线,达到1.25DMIPS/MHz,在功耗上更是达到0.06mW /MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集,自动16/32位混合排列,具有很高的代码密度。单周期的32位乘法以及硬件除法器,保证 Cortex-M3的运算能力有大幅提高,在一些对计算能力要求相对较低而嵌入式要求相对较高的场合,STM32就具有取代传统DSP的潜力甚至优势。 Cortex-M3包含嵌套向量中断控制器NVIC,中断响应速度最快仅6周期,内部集成总线矩阵,支持DMA操作及位映射。

STM32是ST公司在业界最先推出的基于ARMCortex-M3内核产品,继承了Cortex-M3内核的优良血统,同时增加了ST高性能的外设资源,FLASH、SRAM存储器,丰富的串行通信接口,如IIC、SPI、USART、CAN、USB等,以及12位的ADC和DAC模块,支持外部存储器访问的灵活的静态存储器控制器FSMC。

二、基于STM32的电能表方案

根据电能表的功能和误差精度的需求,我们选用了ST公司STM32的增强型系列STM32F103xx,最高工作频率为72MHz。在程序设计上除了完成快速数据处理工作以外,还针对系统非线性失真进行了修正和补偿。

电能表系统组成框图如图1所示:

CORTEX-M3与STM32_M3内核STM32的三相多功能电能表解决方案

(一)采集数据处理与计算

在实际应用中,电力信号通过互感器采集到电能表中,通过一个6通道16位模拟前端处理器(AD73360)进行A/D转换,转换成数字信号并传输到STM32中。AD73360是6通道同步采样的Σ-ΔADC器件,它内置了基本型电压基准及通道内置独立的PGA(可编程增益放大器),非常适合三相电流电压信号的同步采样,在小信号的时候,通过调整通道PGA可以获得合适的动态范围从而保证微弱信号的计量精度。电能表数据采集框图示于图2。
 

CORTEX-M3与STM32_M3内核STM32的三相多功能电能表解决方案

电压电流输入信号首先需要RC滤波网络滤波和数据采样,然后进行A/D转换。AD73360有独立的时钟源,可配置为自动数据采集与发送模式,通过SPI总线不断的将数据传向STM32。STM32内的Cortex-M3内核对输入的数字信号进行处理,完成数字滤波,过零点检测,得到基本的电流电压数据,经过时间积分计算和转换得到相应的电能计量。

(二)采样电路和滤波网络

由于被采样信号为高电压信号和大电流信号,我们需要对被采样信号做高保真转换为双极性的电压信号以便用AD电路离散化处理,而AD73360是单电源供电模拟前端,所以我们需要令输入信号位于AD73360的动态范围的正中。采用的方法是:定义ADC工作电压为5伏(动态范围0~5V),选择参考电压2.5伏,将AD差分输入的负端直接接到参考电压输入,差分输入的正端接被测信号。具体电路如图3。

CORTEX-M3与STM32_M3内核STM32的三相多功能电能表解决方案

在实际电路中,相电流信号经CT变换为低电压信号,相电压则通过高精度电阻网络分压得到线性的低电压信号,信号幅度范围需保证在5V之内。

(三)AD73360与STM32的接口

因为AD73360产生的基础数据总量庞大,为了尽量少的占用CPU时间,需要使用STM32内部的硬件SPI和DMA单元实现数据传输,而STM32的内核根据DMA的传输结果来批量获取基础数据并启动数据处理程序。硬件连接关系如图4所示。

CORTEX-M3与STM32_M3内核STM32的三相多功能电能表解决方案

由STM32的GPIO控制AD73360的SE和RESET,并用一个外部中断输入脚来监听帧同步信号,这样才可以用程序来保证数据帧内容的字节对应关系。

在STM32的硬件设置程序中,需要关闭SPI的所有中断,设置SPI为从模式,并选取一个DMA通道与之协同工作,自动将SPI从模式收到的数据保存在指定的内存地址。为了令AD73360正确采集数据,还必须根据使用要求配置AD73360的内部寄存器,令AD73360处于数据模式并主动向STM32发送采样数据。

三、主要电能参量的计算

AD73360是固定周期采集,我们使用的是150Hz或160Hz,即每周期采集150/160点,为此AD73360采用的时钟是 6.000MHz或16.384MHz,系统中对AD73360的配置为DMCLK分频因子为2048。AD73360是差分采集,很方便进行过零点检测和直流分量调节,以保证信号幅度对称,从而减小系统误差。

电压测量(有效值)计算式:

式中:U-电压有效值,n-每周期采样点数, uk —电压采样值

电流测量(有效值)计算式:

式中:I-电流有效值,n-每周期采样点数, ik-电流采样值

在得到的电流电压有效值基础上计算出总功率S(即视在功率),通过对时间积分的电流电压积得到有功功率P,无功功率Q是总功率S与有功功率P之差,功率因数是有功功率P与总功率S的比。

对于单器件和三相四线星形负载的有功功率和无功功率的计算汇总如下:

单元件有功功率计算式:

式中: P-单元件有功功率,n-每周期采样点数, uk-元件上电压采样值, ik-元件上电流采样值

单元件无功功率计算式:

式中:Q-单元件无功功率,n-每周期采样点数, uk-元件上电压采样值, ik-元件上电流采样值(90度移相后)

三相四线三元件有功功率计算式: PΣ=Pu+Pv+Pw

式中: PΣ-三相有功功率,Pk -(k=u,v,w)各相有功功率

三相四线三元件无功功率计算式: QΣ=Qu+Qv+Qw

式中: QΣ-三相无功功率,Qk -(k=u,v,w) 各相无功功率

四、非线性失真的补偿与修正

电信号采集过程中可能存在的电磁元件(CT或PT)会造成采集信号和实际信号之间的相位失真以及线性失真。为了补偿和修正这些失真带来的误差,还需要使用分段矫正和补偿的方法。例如,根据CT(PT)的相移曲线选择合适的两个点将整个量程分为三段,在测量值分处不同的段时,分别调用不同的相移参数对测量值进行相位补偿。

线性度补偿参数和相位补偿参数的获取方法(校准过程)如下:

1、零偏校准:令所有通道输入为零,分别记录各通道零点位置。

2、电压校准:令所有电压通道输入值为标准电压值220V(RMS),记录各相电压校准参数。

3、电流校准:令所有电流通道输入值为分界点电流,记录各通道小电流测量段校准参数。再令所有电流通道输入值为最大值,分别记录各通道大电流测量段的校准参数。

4、相移校准:分别令电流电压通道输入相位相差60度感性,并且电流通道的电流值处于相位补偿段的中间点,并根据有功电能误差来求取该补偿段的相位补偿参数。

5、求取的全部补偿参数存储在非易失存储器中,例如STM32的FLASH。

五、电能表配合电路

除了测量计量功能外,电能表还需要实现通讯,存储以及时间管理功能,具体的程序和做法在此不再赘述,但为了实现完整的电能表功能,其周边器件的选择却很关键。

实时时钟电路:Intersil的ISL12022M是内置时钟晶体的高可靠性全自动温度补偿RTC芯片。该RTC依靠工厂预校准,和全工业级温度范围的自动温补来保障电子产品全生命周期的计时精度,免除了电表的时钟校准的工艺过程,降低了生产成本。该RTC还具有电池状态监测、上电/掉电时间戳记录功能和内置数字温度传感器功能,更可以用在除电表外的综合电力终端设备中。

电压参考基准:Intersil的ISL21009系列是低噪声,高稳定度的精密电压基准,用于在AD73360内置基准的稳定度(50ppm)不够的情况下,为测量系统补充提供更高稳定度(5ppm)的参考电压。

电源管理电路:ON SemiconducTIon的NCP3063是低成本、高效率的DC/DC稳压器,它对外围电路要求简单,输入电压范围宽达40伏。而电能表往往工作在很宽的输入电压范围条件下,因此,NCP3063非常适合用在电能表工频变压器后面做5伏或3.3伏的直流稳压。

通信接口电路:Intersil的ISL3152E是全功能RS485接口芯片,该接口芯片拥有多项特别适合于电能表AMR系统的特性指标。其中包括,1/8标准负载驱动(256节点),正负16.5千伏ESD保护,热插拔功能(节点电源变化不影响总线通信),20Mbps总线速率,支持星型拓扑网络等等。

结语

基于CORTEX的STM32的三相电能表方案已经证明是当前的主流的最具优势的方案,得到了业界的广泛好评和认可。目前,本方案已成功应用在某大型电表生产企业0.5S电子式三相多功能电能表中。

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发表于 2018-01-26 12:07 345次阅读
利用DSP芯片设计PWM开关电源的原理及完整解决...

DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

DSP为提高数字计算效率,牺牲了存储器管理的方便性,对多任务的支持要差的多,所以DSP不适合于作多任...

发表于 2018-01-25 09:02 1586次阅读
DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

基于DSP和CMOS图像传感器的实时图像采集系统...

随着技术与工艺的发展,CMOS图像传感器不仅在噪声上得到了有效改善,而且分辨率也得到了明显提高。CM...

发表于 2018-01-23 16:12 148次阅读
基于DSP和CMOS图像传感器的实时图像采集系统...

CEVA推出ClearVox专为CEVA-Tea...

CEVA,智能和互联设备的信号处理IP授权许可厂商(纳斯达克股票交易所代码:CEVA) 推出Clea...

发表于 2018-01-23 07:42 134次阅读
CEVA推出ClearVox专为CEVA-Tea...

Achronix宣布为其eFPGA IP解决方案...

Achronix 今日宣布为其eFPGA IP解决方案推出Speedcore custom bloc...

发表于 2018-01-22 16:42 157次阅读
Achronix宣布为其eFPGA IP解决方案...

选择一个好的DSP,可以让广告投放将可以事半功倍

广告技术作为数字化营销的重要内容之一,受到越来越多的关注。随着广告主越来越理性,市场逐步规范,DSP...

发表于 2018-01-21 11:08 1330次阅读
选择一个好的DSP,可以让广告投放将可以事半功倍

六个术语(DAC、ADC、DSP、codec、运...

自vivo在vivo X1引入独立DAC之后,Hi-Fi手机开始崛起,之后连续几款vivo手机都用上...

发表于 2018-01-19 09:27 798次阅读
六个术语(DAC、ADC、DSP、codec、运...

基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

嵌入式系统中,MCU和DSP的应用非常普遍,模拟信号和各种数字信号同时存在。传统上,工程师分别使用示...

发表于 2018-01-18 09:39 224次阅读
基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

基于DSP处理器TMS320F2812与SD卡的接口,设计了一种便携式的生理信号数据采集系统,用于大...

发表于 2018-01-18 09:31 186次阅读
基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

基于DSP的人体皮肤测量仪设计与实现方案[图]

皮肤是人体最重要的器官之一。它有许多功能,首先,皮肤把外界和内部器官分离开,起着人体第一道屏障的作用...

发表于 2018-01-18 07:25 256次阅读
基于DSP的人体皮肤测量仪设计与实现方案[图]

网络上对芯片解密的定义,解密方法与原理解析!

其实了解芯片解密方法之前先要知道什么是芯片解密,网络上对芯片解密的定义很多,其实芯片解密就是通过半导...

发表于 2018-01-17 07:06 1372次阅读
网络上对芯片解密的定义,解密方法与原理解析!

对于FPGA/DSP概念与特点的分享和总结

DSP就是一个指令比较独特的处理器。它虽然是通用处理器,但是实际上不怎么“通用”。技术很牛的人可以用...

发表于 2018-01-16 10:43 613次阅读
对于FPGA/DSP概念与特点的分享和总结

LCD电路及高速ADC+FPGA+ DSP的设计...

随着人们生活水平的提高,公路上的私家车辆也增多了,但随之带来的问题就是交通事故发生率居高不下,严重危...

发表于 2018-01-12 16:28 391次阅读
LCD电路及高速ADC+FPGA+ DSP的设计...

伺服驱动器的七个故障原因分析与处理方法

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分...

发表于 2018-01-12 15:32 1989次阅读
伺服驱动器的七个故障原因分析与处理方法

Synaptics AudioSmart远场语音...

Synaptics AudioSmart远场语音技术将带来性能无与伦比的两麦克风和四麦克风支持亚马逊...

发表于 2018-01-10 14:47 1300次阅读
Synaptics AudioSmart远场语音...

Synaptics拓展语音生态系统,支持微软Co...

Synaptics计划拓展语音生态系统,并且支持微软Cortana集成。成熟的AudioSmart硬...

发表于 2018-01-10 14:27 1400次阅读
Synaptics拓展语音生态系统,支持微软Co...

基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计

本文主要介绍了一种基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计。该交通灯由视频采集、图像处理和控制...

发表于 2018-01-09 14:15 302次阅读
基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计

对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn...

发表于 2018-01-05 11:36 1048次阅读
对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

数字信号处理器DSP与EDA的区别

目前DSP和EDA两者都应用广泛,二者之间有什么不同呢?本文带来数字信号处理器DSP与EDA的区别介...

发表于 2018-01-03 10:33 298次阅读
数字信号处理器DSP与EDA的区别

dsp技术在手机方面的应用_vivo X9s P...

vivo在之前的MWC 2017上海站的时候发布了全新DSP芯片影像优化拍照技术,这也是vivo首次...

发表于 2018-01-03 10:02 327次阅读
dsp技术在手机方面的应用_vivo X9s P...

dsp处理器一般哪里用_dsp处理器应用领域分析

dsp数字信号处理器能实时快速地实现各种数字信号处理算法,它活跃于各种领域之中。

发表于 2018-01-03 09:26 834次阅读
dsp处理器一般哪里用_dsp处理器应用领域分析

DSP技术怎么样_DSP技术的应用领域及优势

本文介绍了dsp技术在通信领域、仪器仪表领域、汽车电子系统领域等多个领域的应用,并分析了dsp技术的...

发表于 2018-01-03 09:03 411次阅读
DSP技术怎么样_DSP技术的应用领域及优势

基于ARM与DSP的主从式双CPU嵌入式四轴运动...

运动控制系统已被广泛应用于工业控制领域。近年来,工业控制对运动控制系统的要求越来越高。传统的基于PC...

发表于 2018-01-01 08:27 2136次阅读
基于ARM与DSP的主从式双CPU嵌入式四轴运动...

一款实用的嵌入式CPLD的伺服控制卡设计方案

随着先进制造技术的迅速发展,对运动控制的精度要求也越来越高,而运动伺服控制系统的性能很大程度上取决于...

发表于 2017-12-30 07:33 2528次阅读
一款实用的嵌入式CPLD的伺服控制卡设计方案

一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设...

本文主要介绍了一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设计与实现,DSP-BF561作为主处理...

发表于 2017-12-25 10:39 571次阅读
一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设...

基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计

本文主要介绍了一种基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计,FPGA通常作为一种调度使用,图像...

发表于 2017-12-25 10:24 389次阅读
基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计

基于STM32的实收实发超声波检测系统研究

本文主要是对基于STM32的实收实发超声波检测系统研究与实现,系统由信号调理;数据采样分析;PWM发...

发表于 2017-12-23 15:05 334次阅读
基于STM32的实收实发超声波检测系统研究

直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现

本文介绍了直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现,采用功率MOSFET芯片IRF530作为开...

发表于 2017-12-21 13:49 812次阅读
直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现

拆解单相导轨电能表详细图文解析

主要器件用料上使用大厂的器件,但是在电源AC-DC和通信RS485上的防护能力相对差了一些。

发表于 2017-12-20 14:10 2190次阅读
拆解单相导轨电能表详细图文解析

DSP技术实现便携式电能质量分析设计方案

随着国家工业规模的扩大和科学技术的发展,电网负荷结构发生了很大的变化,一方面, 非线性 、冲击性和不...

发表于 2017-12-19 09:06 1758次阅读
DSP技术实现便携式电能质量分析设计方案

基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设...

本文介绍的无线环境监测系统的控制采用TMS320LF2407实现。TMS320LF2407内部资源丰...

发表于 2017-12-15 15:55 372次阅读
基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设...

一种DSP和nRF24L01的无线环境监测系统的...

本文基于DSP和nRF24L01设计了一种无线环境监测系统。分模块的介绍了检测系统的设计以及系统的软...

发表于 2017-12-15 14:53 199次阅读
一种DSP和nRF24L01的无线环境监测系统的...

基于DSP芯片TMS320LF2407控制的数字...

本文介绍了一种基于DSP芯片TMS320LF2407控制的数字开关电源,比较了开关电源模拟控制和数字...

发表于 2017-12-14 10:20 427次阅读
基于DSP芯片TMS320LF2407控制的数字...

基于DSP+DDS结构的可编程调制器的硬件平台设...

本文提出了一种软件无线电通用信号发生器的设计方案,包括硬件构成和软件算法的实现。该信号发生器为软件无...

发表于 2017-12-13 10:41 126次阅读
基于DSP+DDS结构的可编程调制器的硬件平台设...

快速分析仪器一次测两台手机

针对技术越来越复杂、利润越来越薄的手机市场,测试必须快速、灵活和有效才能保证生产线达到维持利润的批量...

发表于 2017-12-13 05:00 139次阅读
快速分析仪器一次测两台手机

无线视频传输系统的方案设计与结果分析

无线通信技术和视频压缩技术的迅速发展,使得无线视频传输成为人们研究的热点。无线视频传输具有数据量大,...

发表于 2017-12-12 14:08 54次阅读
无线视频传输系统的方案设计与结果分析

C6678的芯片特点及其含有的接口资源详解

随着DSP处理器在现代工业的应用越来越广泛,DSP的功能不仅只有快速运算处理,还需要与其他处理器或者...

发表于 2017-12-12 09:52 1419次阅读
C6678的芯片特点及其含有的接口资源详解

3G手机语音识别的两种方法分析

随着DSP技术的进步,计算能力更强、功耗更低和体积更小的DSP已经出现,使3G手机上植入更精确更复杂...

发表于 2017-12-12 03:50 88次阅读
3G手机语音识别的两种方法分析