基于新型Cortex

1、基于新型cortex 電能表作為電能計(jì)量的基本設(shè)備，受到國(guó)家電力部門(mén)的長(zhǎng)久重視，電能表生產(chǎn)企業(yè)更是盡心盡力地尋求設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)性能俱佳且成本更低的解決計(jì)劃。目前國(guó)內(nèi)的電能表設(shè)計(jì)已經(jīng)走過(guò)了由8位向通用甚至專用dsp的變革，通用dsp的應(yīng)用計(jì)劃的劣勢(shì)在于dsp的專業(yè)應(yīng)用和嵌入程度不夠深的問(wèn)題，成本偏高；而專用 dsp功能相對(duì)固定，這樣給電能表設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家?guī)?lái)功能差異化空間不足的困難?；诘挠?jì)劃也已經(jīng)浮現(xiàn)，但是適合應(yīng)用的arm7 tdmi在性能上不盡人意，同時(shí)外設(shè)資源不足；而更高端的arm9系統(tǒng)的復(fù)雜程度很高，成本也較高。挑選一顆合適且低成本的微處理器日益成為電能表行業(yè)的關(guān)鍵所在，直到公司（stmic

2、roelectronic公司，下稱st）的浮現(xiàn)為電能表設(shè)計(jì)的特地化和定制化帶來(lái)了嶄新的機(jī)遇和空間。 一、關(guān)于cortex-m3與stm322005年arm公司發(fā)布其最新一代arm v7內(nèi)核，命名為，同arm7/9/10/11相比在架構(gòu)上有了革命性突破，性能上更是本質(zhì)的飛越，cortex系列包含三個(gè)系列，-a/-r/-m。cortex-m3特殊針對(duì)功耗和價(jià)格敏感的嵌入應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)具備高性能，它采納高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級(jí)流水線，達(dá)到1.25d/mhz，在功耗上更是達(dá)到0.06mw /mhz。cortex-m3用法thumb-2命令集，自動(dòng)16/32位混合羅列，具有很高的代碼密度。單周期的32位乘法以

3、及硬件除法器，保證 cortex-m3的運(yùn)算能力有大幅提高，在一些對(duì)計(jì)算能力要求相對(duì)較低而要求相對(duì)較高的場(chǎng)合，stm32就具有取代傳統(tǒng)dsp的潛力甚至優(yōu)勢(shì)。 cortex-m3包含嵌套向量中斷控制器nvic，中斷響應(yīng)速度最快僅6周期，內(nèi)部集成矩陣，支持dma操作及位映射。stm32是st公司在業(yè)界最先推出的基于arm cortex-m3內(nèi)核產(chǎn)品，繼承了cortex-m3內(nèi)核的優(yōu)良血統(tǒng)，同時(shí)增強(qiáng)了st高性能的外設(shè)資源，flash、sram存儲(chǔ)器，豐盛的串行通信接口，如iic、spi、usart、can、等，以及12位的和模塊，支持外部存儲(chǔ)器拜訪的靈便的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器fsmc。二、基于stm32

4、的電能表計(jì)劃按照電能表的功能和誤差精度的需求，我們選用了st公司stm32的增加型系列stm32f103xx，最高工作頻率為72mhz。在程序設(shè)計(jì)上除了完成迅速數(shù)據(jù)處理工作以外，還針對(duì)系統(tǒng)非線性失真舉行了修正和補(bǔ)償。電能表系統(tǒng)組成框圖1所示：（一）采集數(shù)據(jù)處理與計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中，電力信號(hào)通過(guò)互感器采集到電能表中，通過(guò)一個(gè)6通道16位處理器(ad73360)舉行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)絪tm32中。ad73360是6通道同步采樣的-adc器件，它內(nèi)置了基本型基準(zhǔn)及通道內(nèi)置自立的pga（可編程增益），十分適合三相電壓信號(hào)的同步采樣，在小信號(hào)的時(shí)候，通過(guò)調(diào)節(jié)通道pga可以獲得合適的動(dòng)態(tài)范圍

5、從而保證微弱信號(hào)的計(jì)量精度。電能表數(shù)據(jù)采集框圖示于圖2。電壓電流輸入信號(hào)首先需要rc濾波網(wǎng)絡(luò)濾波和數(shù)據(jù)采樣，然后舉行a/d轉(zhuǎn)換。ad73360有自立的時(shí)鐘源，可配置為自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模式，通過(guò)spi總線不斷的將數(shù)據(jù)傳向stm32。stm32內(nèi)的cortex-m3內(nèi)核對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)舉行處理，完成數(shù)字濾波，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，得到基本的電流電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)時(shí)光積分計(jì)算和轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電能計(jì)量。（二）采樣和濾波網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楸徊蓸有盘?hào)為高電壓信號(hào)和大電流信號(hào)，我們需要對(duì)被采樣信號(hào)做高保真轉(zhuǎn)換為雙極性的電壓信號(hào)以便用ad電路離散化處理，而ad73360是單電源供電模擬前端，所以我們需要令輸入信號(hào)位于ad73360

6、的動(dòng)態(tài)范圍的正中。采納的辦法是：定義adc工作電壓為5伏（動(dòng)態(tài)范圍05v），挑選參考電壓2.5伏，將ad差分輸入的負(fù)端挺直接到參考電壓輸入，差分輸入的正端接被測(cè)信號(hào)。詳細(xì)電路3。在實(shí)際電路中，相電流信號(hào)經(jīng)ct變換為低電壓信號(hào)，相電壓則通過(guò)高精度網(wǎng)絡(luò)分壓得到線性的低電壓信號(hào)，信號(hào)幅度范圍需保證在5v之內(nèi)。（三）ad73360與stm32的接口由于ad73360產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)總量浩大，為了盡量少的占用cpu時(shí)光，需要用法stm32內(nèi)部的硬件spi和dma單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而stm32的內(nèi)核按照dma的傳輸結(jié)果來(lái)批量獵取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序。硬件銜接關(guān)系4所示。由stm32的gpio控制ad7

7、3360的se和reset，并用一個(gè)外部中斷輸入腳來(lái)監(jiān)聽(tīng)?zhēng)叫盘?hào)，這樣才可以用程序來(lái)保證數(shù)據(jù)幀內(nèi)容的字節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系。在stm32的硬件設(shè)置程序中，需要關(guān)閉spi的全部中斷，設(shè)置spi為從模式，并選取一個(gè)dma通道與之協(xié)同工作，自動(dòng)將spi從模式收到的數(shù)據(jù)保存在指定的內(nèi)存地址。為了令ad73360正確采集數(shù)據(jù)，還必需按照用法要求配置ad73360的內(nèi)部寄存器，令ad73360處于數(shù)據(jù)模式并主動(dòng)向stm32發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。三、主要電能參量的計(jì)算ad73360是固定周期采集，我們用法的是150hz或160hz，即每周期采集150/160點(diǎn)，為此ad73360采納的時(shí)鐘是 6.000mhz或16.384

8、mhz，系統(tǒng)中對(duì)ad73360的配置為dmclk分頻因子為2048。ad73360是差分采集，很便利舉行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)和直流重量調(diào)整，以保證信號(hào)幅度對(duì)稱，從而減小系統(tǒng)誤差。電壓測(cè)量(有效值)計(jì)算式：式中：u電壓有效值，n每周期采樣點(diǎn)數(shù)， uk 電壓采樣值電流測(cè)量(有效值)計(jì)算式：式中：i電流有效值，n每周期采樣點(diǎn)數(shù)， ik電流采樣值在得到的電流電壓有效值基礎(chǔ)上計(jì)算出總功率s（即視在功率），通過(guò)對(duì)時(shí)光積分的電流電壓積得到有功功率p，無(wú)功功率q是總功率s與有功功率p之差，功率因數(shù)是有功功率p與總功率s的比。對(duì)于單器件和三相四線星形負(fù)載的有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算匯總?cè)缦拢簡(jiǎn)卧泄β视?jì)算式：式中： p

9、單元件有功功率，n每周期采樣點(diǎn)數(shù)， uk元件上電壓采樣值， ik元件上電流采樣值單元件無(wú)功功率計(jì)算式：式中：q單元件無(wú)功功率，n每周期采樣點(diǎn)數(shù)， uk元件上電壓采樣值， ik元件上電流采樣值(90度移相后)三相四線三元件有功功率計(jì)算式： p=pu+pv+pw式中： p三相有功功率，pk (k=u,v,w)各相有功功率三相四線三元件無(wú)功功率計(jì)算式： q=qu+qv+qw式中： q三相無(wú)功功率，qk (k=u,v,w) 各相無(wú)功功率四、非線性失真的補(bǔ)償與修正電信號(hào)采集過(guò)程中可能存在的電磁元件（ct或pt）會(huì)造成采集信號(hào)和實(shí)際信號(hào)之間的相位失真以及線性失真。為了補(bǔ)償和修正這些失真帶來(lái)的誤差，還需要用

10、法分段矯正和補(bǔ)償?shù)霓k法。例如，按照ct（pt）的相移曲線挑選合適的兩個(gè)點(diǎn)將囫圇量程分為三段，在測(cè)量值分處不同的段時(shí)，分離調(diào)用不同的相移參數(shù)對(duì)測(cè)量值舉行相位補(bǔ)償。線性度補(bǔ)償參數(shù)和相位補(bǔ)償參數(shù)的獵取辦法（校準(zhǔn)過(guò)程）如下：1、零偏校準(zhǔn)：令全部通道輸入為零，分離記錄各通道零點(diǎn)位置。2、電壓校準(zhǔn)：令全部電壓通道輸入值為標(biāo)準(zhǔn)電壓值220v（rms），記錄各相電壓校準(zhǔn)參數(shù)。3、電流校準(zhǔn)：令全部電流通道輸入值為分界點(diǎn)電流，記錄各通道小電流測(cè)量段校準(zhǔn)參數(shù)。再令全部電流通道輸入值為最大值，分離記錄各通道大電流測(cè)量段的校準(zhǔn)參數(shù)。4、相移校準(zhǔn)：分離令電流電壓通道輸入相位相差60度感性，并且電流通道的電流值處于相位補(bǔ)償

11、段的中間點(diǎn)，并按照有功電能誤差來(lái)求取該補(bǔ)償段的相位補(bǔ)償參數(shù)。5、求取的所有補(bǔ)償參數(shù)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，例如stm32的flash。五、電能表協(xié)作電路除了測(cè)量計(jì)量功能外，電能表還需要實(shí)現(xiàn)通訊，存儲(chǔ)以準(zhǔn)時(shí)間管理功能，詳細(xì)的程序和做法在此不再贅述，但為了實(shí)現(xiàn)完整的電能表功能，其周邊器件的挑選卻很關(guān)鍵。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路：的isl12022m是內(nèi)置時(shí)鐘晶體的高牢靠性全自動(dòng)溫度補(bǔ)償rtc芯片。該rtc依賴工廠預(yù)校準(zhǔn)，和全工業(yè)級(jí)溫度范圍的自動(dòng)溫補(bǔ)來(lái)保障產(chǎn)品全生命周期的計(jì)時(shí)精度，免除了電表的時(shí)鐘校準(zhǔn)的工藝過(guò)程，降低了生產(chǎn)成本。該rtc還具有電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、上電/掉電時(shí)光戳記錄功能和內(nèi)置數(shù)字溫度功能，更可以用在除電

12、表外的綜合電力終端設(shè)備中。電壓參考基準(zhǔn)：intersil的isl21009系列是低噪聲，高穩(wěn)定度的精密電壓基準(zhǔn)，用于在ad73360內(nèi)置基準(zhǔn)的穩(wěn)定度（50ppm）不夠的狀況下，為測(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)充提供更高穩(wěn)定度（5ppm）的參考電壓。電路：on semiconduction的ncp3063是低成本、高效率的dc/dc穩(wěn)壓器，它對(duì)外圍電路要求容易，輸入電壓范圍寬達(dá)40伏。而電能表往往工作在很寬的輸入電壓范圍條件下，因此，ncp3063十分適合用在電能表工頻后面做5伏或3.3伏的直流穩(wěn)壓。通信接口電路：intersil的isl3152e是全功能rs485接口芯片，該接口芯片擁有多項(xiàng)特殊適合于電能表amr系統(tǒng)的特