基于CORTEX的STM32的三相電能表方案

背景

　　電能表是用來測量電能的儀表，又稱電度表，火表，電能表，千瓦小時(shí)表，指測量各種電學(xué)量的儀表。基于ARM的方案已經(jīng)出現(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。所以要研究一種廉價(jià)的，滿足客戶需求的電能表，來填補(bǔ)這個(gè)空缺。

　　一、關(guān)于CORTEX-M3與STM32

　　最新一代ARM v7內(nèi)核，命名為Cortex，同ARM7/9/10/11相比在架構(gòu)上有了革命性突破。它采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，達(dá)到1.25DMIPS/MHz，在功耗上更是達(dá)到0.06mW/MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自動(dòng)16/32位混合排列。單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證Cortex-M3的運(yùn)算能力有大幅提高，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)部集成總線矩陣，支持DMA操作及位映射。

　　STM32系統(tǒng)按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品;基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。

　　二、基于STM32的電能表方案

　　根據(jù)電能表的功能和誤差精度的需求，我們選用了STM32F103xx，最高工作頻率為72MHz。

　　(一)采集數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

　　在實(shí)際應(yīng)用中，電力信號通過互感器采集到電能表中，通過一個(gè)6通道16位模擬前端處理器(AD73360)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸?shù)絊TM32中。AD73360是6通道同步采樣的Σ-ΔADC器件，它內(nèi)置了基本型電壓基準(zhǔn)及通道內(nèi)置獨(dú)立的PGA，通過調(diào)整通道PGA可以獲得合適的動(dòng)態(tài)范圍從而保證微弱信號的計(jì)量精度。

　　電壓電流輸入信號首先需要RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波和數(shù)據(jù)采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD73360有獨(dú)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SPI總線不斷的將數(shù)據(jù)傳向STM32。STM32內(nèi)的Cortex-M3內(nèi)核對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，完成數(shù)字濾波，過零點(diǎn)檢測，得到基本的電流電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過時(shí)間積分計(jì)算和轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電能計(jì)量。

　　(二)采樣電路和濾波網(wǎng)絡(luò)

　　由于被采樣信號為高電壓信號和大電流信號，我們需要對被采樣信號做高保真轉(zhuǎn)換為雙極性的電壓信號以便用AD電路離散化處理，我們需要令輸入信號位于AD73360的動(dòng)態(tài)范圍的正中。采用的方法是：定義ADC工作電壓為5伏，選擇參考電壓2.5伏，將AD差分輸入的負(fù)端直接接到參考電壓輸入，差分輸入的正端接被測信號。電路分析可以參照圖三：

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