基于Kinetis微控制器的三相电能表设计方案

1.概述

目前，高效能源管理和输配电方面存在各种挑战，而嵌入式控制和集成连接功能将成为未来智能电网成功的关键，而智能三相电能表是智能电网的终端环节和最重要的基本构建。

飞思卡尔三相电能表方案按照中国电网标准GB/T 17215.322—2008/IEC 62053-22：2003设计。方案采用飞思卡尔最新的基于ARM Cortex-M0+内核44引脚的Kinetis M系列，KM14作为计量芯片，其基于ARM Cortex-M0+内核100引脚的Kinetis L系列，KL36作为系统芯片。该方案可以简化并加速设计者的设计流程，降低研发风险及成本，缩短研发时间，确保客户在此基础上开发出有竞争力的产品。

2.系统组成

（1）系统图

本设计主要由主控部分、液晶显示模块、电压电流采样模块、参数测量模块、电源模块、通信模块等部分构成。系统以飞思卡尔KL36为控制核心，以KM14配合高精度、低成本、低功耗计量芯片KM14完成电量参数的测量。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

（2）系统描述

计量芯片KM14基于ARM Cortex M0+内核，主频可达50 MHz，可以用来做谐波分析和计量。其SPI可以与后端主MCU KL36进行通信。有4路独立的24位ΣΔADC，含有两个可编程序增益放大器，能够满足高准确度计量。该设计之所以能够实现三相计量（如图1的下半部分红色线所标识），是因为不但有4路独立的24位Σ-ΔADC，还有16位SAR ADC，两者进行相位补偿算法以后，就可以满足三相电能表规范。

4个UART接口可以满足国家电网载波485、红外和PLC的相关要求。该设计不但可以满足国家电网的计量规范，也可以满足国外IEC 62053-22和IEC 62053-23等计量标准。

低功耗模式，全速情况下可以实现97_μA/MHz，对于停电等情况可以得到很好的支持。

我们知道，电力计量市场对于ESD和EMC性能要求很高，计量芯片KM14可以达到15kV的ESD、6kV的EFT。在整表级，该设计可以做到15kV的ESD特性。在一些机构（如电科院）的测试中，该设计能够顺利通过电力特性、计量准确度和RTC的测试要求。

（3）系统功能特点

根据以上的描述，总结出该系统的特点如下：

1）电压输入范围为3×（220～380）V；

2）电流输入范围为5～60A；

3）0.5s有用功计量准确度；

4）2s无用功计量准确度；

5）2～31次谐波分量；

6）±15kV ESD；

7）±6kV EFT；

8）电网频率检测；

9）5ppm（5×10^-4%）准确度RTC；

10）2路隔离RS485输出；

11）8×32段码式LCD输出；

12）3路隔离式电脉冲输出；

13）3路光脉冲输出；

14）多种防篡改保护；

15）多种外部存储器。

3.系统功能

（1）功能概述(www.xing528.com)

电能表主要功能分为测量、处理和显示三大部分。三相电压、电流信号经电能表采样电路和计量芯片变换成相应的数字信号后，传送给主控制器，并通过程序处理求出各相电压、电流、功率、电量、需量、功率因素等参数，同时识别各相电压、电流有无异常并记录相应的失电压、失电流状态。

（2）功能模块

1）计量单元

本设计采用了Kinetis M系列MCU KM14作为计量芯片。Kinetis M系列MCU基于低功耗ARM Cortex-M0+内核，适用于单芯片1、2和3相电能表和流量计，以及其他高准确度测量应用。Kinetis M系列MCU包括一个由多个24位Σ-ΔADC组成的强大的模拟前端、多个可编程序增益放大器，还包括低温度漂移的参考电压以及一个相移补偿器。高精确度的内部参考源和可编程增益放大器可以满足全温度范围内的一切计量。丰富的安全特性，包括存储器保护单元、外部篡改检测引脚、带篡改检测的iRTC和随机数生成器，在MCU内部以及MCU与电网间提供供应商/用户数据保护功能。一个低功率段式LCD控制器，支持多达288段和8块背板。

KM14最大的特点是在满足基本三相电能表功能的基础之上附带了5ppm（5×10^-4%）的RTC，其可以进行自动温补和精确校准。该设计另一个特点是高准确度的计量，可以进行谐波分析，包括每一个谐波分量的计算。内嵌的32×32乘法器，可以很好地支持谐波计量算法和复杂电能参数的计量。整个设计能够完全满足国家电能表最高等级电能表的要求。

该电能表的计量部分将传统的4种低功耗模式换成了11种低功耗模式，可以灵活配置。系统的低功耗得益于Cortex-M0+内核、飞思卡尔薄膜存储器（TFS）Flash工艺以及外设的低功耗设计。除了低功耗，该设计有加密和安全模块，符合AES、ECC和RSA的认证。

2）主控单元

电能表的电源管理、输出显示、按钮输入、时间计算等一系列处理还需要有核心微处理器，出于综合考虑，本设计采用了Kinetis L系列KL36作为系统控制器。Kinetis L系列MCU集新型ARM Cortex-M0+处理器的卓越能效和易用性与Kinetis 32位MCU组合的性能、丰富的外设集、支持功能和可扩展性于一身。有了Kinetis L系列，设计者不再因限制功耗的问题而拘泥于8位和16位MCU。该系列具有优化的动态和停止电流并提供出色的处理性能，而且还提供多种片上闪存密度以及丰富的模拟模块、连接功能和HMI外设。

Kinetis KL3x MCU系列增加了一个灵活的低功耗段式LCD控制器，可支持376个段。Kinetis KL3x系列还兼容Kinetis K30（ARM Cortex-M4内核）系列，为迁移到更高性能和实现功能集成提供了解决之道。器件涵盖了从采用64 LQFP封装并配备64 KB闪存的型号到采用100 LQFP/121 MAPBGA封装并配备256 KB闪存的型号，结合了超低功耗性能，包含一套丰富的模拟、通信、定时和控制外设。这些特性使Kinetis KL3x系列非常适用于需要显示功能的应用，如恒温器、流量计和智能电能表。

Kinetis L系列MCU提供多个低功耗智能外设，即使在MCU处于深度休眠模式时也能维持正常功能，因此可实现少消耗多工作。DMA控制器、计数器、定时器、通信接口、ADC、比较器都能够在不占用CPU的情况下做出自己的决策。传统的MCU必须激活主时钟和处理器内核才能执行任务，即使是执行琐碎的任务，如发送或接收数据、捕捉或生成波形或模拟信号采样时也是如此。Kinetis L系列外设不需占用内核或主要系统就能执行这些功能，从而大大降低能耗并延长电池寿命。这也使得其特别适合用于智能电能表这类需要长时间持续使用的仪器中。

此外，在该设计中KL36 MCU和片上硬件RTC一起只需要一个外置32 kHz的晶振就可以驱动，节省了外部元器件。

4.软件设计

该设计的软件开发并不是从零开始，可以采用飞思卡尔的应用架构、基于滤波器的计量算法（如希尔波特滤波器）和FFT计量算法。其中，基于FFT的谐波分析算法在64点的FFT时，可以支持32次谐波。飞思卡尔提供的算法库用来帮助精确计算有功、无功、总功率等。

本设计用到的其他软件库如下：

1）ZCD：零交叉检测，用于计算电源线频率。

2）ADC采样：AFE（SD ADC）用于采样电流，SAR ADC用于采样电压，补偿技术可确保电压和电流同时采样。

3）RTC补偿库：RTC输出准确度在整个温度范围内均达到±5ppm（5×10^-4%）。

4）计量表与控制MCU之间的SPI：按下按钮之类的信息，KM14通知KL36电能信息，KL36可能反馈有用信息。

5）段式LCD显示：显示有功功率和无功功率值。

5.通信协议

三相电能表数据通信接口是为配合电力系统实现用电管理现代化而设计的。从前文中，我们可以知道本设计有两路隔离RS485输出。

RS485采用差分信号负逻辑，-2～-6V表示“0”，+2～+6V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负荷其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等因素所影响。理论上，通信速率在100kbit/s及以下时，RS485的最长传输距离可达1200m。

6.仿真实验

该设计的目的就是在保持低功耗的同时达到高准确度，仿真测试结果表明，该设计具有优良的测量准确度，并且保持低功耗，如图2所示。

图2 测量仿真图

按照图1的原理图设计后的最终产品如图3所示，从图中可以看出，该设计体积紧凑，符合国际要求。

图3 三相电能表实物图

7.适用范围

智能三相电能表是实施智能电网的重要组成部分，该三相电能表可以用于家庭和商业计量应用，其可以测量有功能量、无功能量和视在能量，并具有闪存升级、数据连接和安全功能（包括篡改检测）。

（作者：飞思卡尔半导体MCU应用方案部高级系统工程师 施长浩）