【文章內(nèi)容簡介】 硬件冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，抗飽和技術(shù)和線性補(bǔ)償技術(shù)等。 課題研究背景 及內(nèi)容 課題研究背景 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶動(dòng)電能的迅猛發(fā)展；現(xiàn)如今電力系統(tǒng)的發(fā)展又成為了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民生活質(zhì)量提高的決定性因素。作為測量電能的儀表，電能表的發(fā)展就變成了關(guān)系國家百姓生活舒適度的一個(gè)重要的工具。高精度的三相多功能電能表的 研制 和 應(yīng)用 ,是適應(yīng)時(shí)代發(fā) 展的重大項(xiàng)目，并且可以拉動(dòng)整個(gè)儀器儀表業(yè)的發(fā)展，擁有不可估量的 經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研制功能強(qiáng)大、使用方便、功耗低的電能表也和國家建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的社會(huì)理念相契合。 課題研究內(nèi)容 本課題旨在從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用且結(jié)構(gòu)簡 單 的多功能電能表。首先要了解電能表的工作原理和在國內(nèi)外的發(fā)展歷程，從工作原理出發(fā)分析電能表存在的優(yōu)缺點(diǎn)； 然后依照本課題要實(shí)現(xiàn)的功能，從實(shí) 現(xiàn) 功能的可行性、可能性和使用方便性等方面進(jìn)行考慮，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)方案的選擇和論證。再依照模塊化 思想 的設(shè)計(jì)原則，將整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方案分解為主控模塊、顯示和按鍵模塊、電流電壓采樣南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 模塊以及 RS485 通訊接口模塊等模塊進(jìn)行單獨(dú)地設(shè)計(jì)，最后通過連線將不同 的 板子進(jìn)行整合， 建立 各個(gè) 電路板 之間的聯(lián)系， 完成整個(gè)課題的硬件部分設(shè)計(jì)。同時(shí)要對(duì)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn) 行認(rèn)真地了解，同樣采用模塊化的思想，編寫各個(gè)模塊的軟件程序，實(shí)現(xiàn) 相應(yīng) 模塊 的 預(yù)期 功能。最后進(jìn)行軟硬件部分之間的 測試 和實(shí)驗(yàn) ，如果發(fā)現(xiàn)存在問題，就及時(shí)地解決問題，不斷地完善軟件 的程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)。最終 完成整個(gè)課題的設(shè)計(jì)工作。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第二 章 多功能電能表硬件設(shè)計(jì) 整體方案設(shè)計(jì) 本文 設(shè)計(jì)的三相多功能電能表 的 硬件 ， 在整體結(jié)構(gòu)上主要由主控模塊、電源 轉(zhuǎn)換模塊、電流電壓采樣 調(diào)理 模塊、 LCD 段碼 顯示模塊 、 RS485 通訊 接口 模塊 、 按鍵輸出 模塊以及 EEPROM 存儲(chǔ)模塊組成。 其中 系統(tǒng) 的 總體結(jié)構(gòu)框圖 ， 如圖 所示。 S T M 3 2 F 1 0 x A R M主 控 芯 片電 壓 采 樣 調(diào) 理A D C通 道通 訊 接 口 模 塊電 源 模 塊按 鍵 輸 入 模 塊存 儲(chǔ) 模 塊段 碼 顯 示 模 塊電 流 采 樣 調(diào) 理 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 本 文中 主控芯片采用 型號(hào)為 STM32F103RC 的微控制器，在保證電流、電壓采樣精度的前提下，使得結(jié)構(gòu)盡可能的簡潔，避免了復(fù)雜多變的電路布局，更加方便PCB 板的制作，并且成本 較為 低廉。其中， 在 采樣 調(diào)理 電路的 設(shè)計(jì) 中 ， 采用 電流互感器進(jìn)行電流信號(hào)的采樣 ， 而電壓采樣部分使用高精度電阻 分壓網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行 采樣設(shè)計(jì) 。 主控芯片 的 選擇 在 設(shè)計(jì) 多功能電能表的 過程中， 確定 主控芯片 時(shí) ， 一般 有兩種選擇方案 。 片上 系統(tǒng) SoC 往往 會(huì)成為 設(shè)計(jì)者 的選擇， 這是 一種 專用的電能 計(jì)量 芯片，內(nèi)部集成了 CPU和 一系列電能 計(jì)量 的 功能模塊 ，自行對(duì)采集到的電量進(jìn)行 轉(zhuǎn)換 和計(jì)算，軟件設(shè)計(jì) 部分 簡單，易于實(shí)現(xiàn) 。 但 是片上系統(tǒng) Soc 價(jià)格 昂貴， 會(huì)使得 整個(gè)設(shè)計(jì) 的 成本 大增 ， 因而 這種片上 系統(tǒng)不適 用 本課題 進(jìn)行 設(shè)計(jì)。 本文 選擇使用型號(hào)為 STM32F103RC 的 微控制器作為主控芯片 ，其中 電量 計(jì)算的 任務(wù) 需要 在 軟件 里 完成 ， 雖然 加大了 軟件編程的難度，但是 在很大程度上 控制了課題 的設(shè)計(jì) 成本 ， 并且該型號(hào)的芯片 也具有 一系列 顯著的 優(yōu)點(diǎn) 。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 STM32F芯片簡介 基于 ARM7 和 ARM9 內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)是微控制器發(fā)展的一個(gè) 典型 趨勢(shì)， 2021 年第一個(gè)基于 ARM CortexM3內(nèi)核的微控制器 STM32由意法半導(dǎo)體（ ST Microelectronics,簡稱 ST）推出。 Cortex 系列主要擁有 3 個(gè)不同的分支， 分別是 A 分支， R 分支和 M分支。 STM32 隸屬于 M 分支，屬于 微控制器系列產(chǎn)品， 同時(shí)在結(jié)構(gòu)組成上 STM32也分為基本型和增強(qiáng)型兩個(gè)不同的版本。其中 STM32 的 基本 型外掛的設(shè)備 數(shù)目 少，最高只能承受 36MHz 的時(shí)鐘頻率 ,而增強(qiáng)型的 STM32 擁有完整的外部設(shè)備，同時(shí)CPU可以在 最高 72MHz 的時(shí)鐘頻 率下運(yùn)行 STM32F芯片優(yōu)勢(shì) 最初研制 STM32系列 的 微控制器就是以提高系統(tǒng)的性能和降低工作時(shí) 的 功率損耗為目標(biāo)的， STM32 的出現(xiàn)是微控制器領(lǐng)域的一個(gè)新的飛躍，與以往的微控制器相比較，具有突出的優(yōu)越性。 (1) 精密性。 STM32 是比較高端的一種微控制器，集中分布著完備的外設(shè)，布局精巧，器件放置緊密且不失獨(dú)特性。比如 STM32 具有兩個(gè) 12 位高精度的 ADC 轉(zhuǎn)換器，并且在一定的條件下可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作，衍生出多種轉(zhuǎn)換模式， 功能強(qiáng)大 。 (2) 可靠性。 STM32 的外設(shè)布局越來越精密，但是對(duì)于可靠性的要求并沒有因此降低。為了在外掛的器件越來越多的情況下，依舊能夠保持高可靠性， STM32 配備充足的硬件電路，主要包括低電壓監(jiān)測器、時(shí)鐘管理器和看門狗等。比如時(shí)鐘管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測外部時(shí)鐘的工作，一旦外部時(shí)鐘源發(fā)生問題，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將內(nèi)部振蕩器切換為主時(shí)鐘源。 (3) 安全性。信息時(shí)代，最為激烈的就是信息競爭，確保信息在傳遞過程中的保密性， 是 實(shí)現(xiàn) 信息 安全的 必要步驟。 一旦數(shù)據(jù)中 包含的信息 泄露，整個(gè)信息的傳遞就沒有 繼續(xù)下去 的 意義。 STM32 可以通過鎖定 Flash 引腳來 確保 信息不會(huì) 泄露和被竊取，一旦出現(xiàn) 想要獲取芯片內(nèi)部信息的行為 ，引腳狀態(tài)就會(huì)被拉高， STM32 會(huì)自動(dòng)清除芯片內(nèi)部信息。從而最終確保信息的安全性。 (4) 在線調(diào)試。 STM32 支持 Thumb2 指令，可以在 C 語言環(huán)境下完成軟件的編譯 、仿真和 調(diào)試 。在軟件平臺(tái)上編寫的程序可以通過下載口，下載到 STM32 芯片內(nèi)部，進(jìn)行在線調(diào)試，方便實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并進(jìn)行及時(shí)的修改，實(shí)用性強(qiáng)。 硬件 電路設(shè)計(jì) 主控電路設(shè)計(jì) 本課題以型號(hào)為 STM32F103RC 的微控制器作為主控芯片。 要實(shí)現(xiàn)多功能電能南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表的預(yù)期功能，主控芯片必不可少，電 量 計(jì)量的任務(wù)、顯示和顯示屏 切換 的功能以及 RS485 的通訊功能都需要在主控芯片內(nèi) 設(shè)計(jì) 和 進(jìn)行。 STM32F103RC 微控制器的最小系統(tǒng) 由 復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源 轉(zhuǎn)換 電路和下載電路組成。其中，復(fù)位電路就負(fù)責(zé)主控芯片的初始化；時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，但是在本課題中，系統(tǒng)利用的是內(nèi)部時(shí)鐘，因而并沒有 特意 設(shè)計(jì)外部時(shí)鐘電路；電源 轉(zhuǎn)換 電路 負(fù)責(zé) 對(duì)給定的 電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后 作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) 的 驅(qū)動(dòng)源； 下載端口 是連接硬件和軟件的“橋梁”，負(fù)責(zé)將編寫的程序下載到 制作好 的 電路板中，進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證 。 其中主控芯片 的 原理圖，如圖 所示。 圖 主控芯片原理圖 STM32 芯片自身攜帶內(nèi)部 RC 振蕩器，為 芯片 提供 時(shí)鐘基準(zhǔn)，本課題 中采用的主控芯片 屬于 增強(qiáng)型的范疇， 可以在 72MHz 的時(shí)鐘下運(yùn)行。但是內(nèi)部 RC 振蕩器 的不足之處 是：準(zhǔn)確性不夠，而且 穩(wěn)定 性 不好 ，所以在設(shè)計(jì)時(shí)常采用 外部 的晶振時(shí)鐘源。通常情況 下， 外部時(shí)鐘 源 可以分為高 速外部振蕩器 、 低速 外部振蕩器 和時(shí)鐘輸出。 在本課題 中， 主控芯片 選擇 外接晶振電路， 屬于高速外部振蕩器。該電路 由 CC Y1 組成， 由 它 為主控芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。同時(shí)原理圖中分布的電容 C8~C16存在的意義 就 是穩(wěn)定電源， 使得 整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高。 因?yàn)?STM32F103RC 的 引腳 可以承受的 最高 電壓 的 范圍 為 ~， 一般情況下選擇 +， 因此需要 對(duì) 給定的 電源 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。 本課題中， 設(shè)計(jì)的 電源轉(zhuǎn)換電路采用的 芯片型號(hào) 是 ，此電平轉(zhuǎn)換器件 具有體積小、 損耗 低 并且穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它最高可以輸出 1A 大小 的電流，這一特性 使得 該芯片幾乎可以和全部的電子網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行匹配， 因此 得到了普遍的應(yīng)用。 該系統(tǒng) 中 電源轉(zhuǎn)換電路 的 原理圖 ， 如圖 所示。 3V3D3V3DBOOT0BOOT13V3ASWDIOSWCLKReset3V3A3V3D3V3DGNDDGNDDGNDD3V3DGNDDB_cC_cA_vB_vC_vRXDTXDGNDAGNDAA_cK1K2K3K4CSDATAVBAT1PC13/ANT12PC14/OSC323PC15/OSC324PD0/OSCIN5NRST7PC0/ADC108PC1/ADC119PC2/ADC1210PC3/ADC1311VSSA12VDDA13PD1/OSCOUT6PA0/WKUP/ADC0/TIM2_CH1_ETR/TIM5_CH1/TIM8_ETR14PA1/ADC1/TIM2_CH2/TIM5_CH215PA2/U2_TX/ADC2/TIM2_CH3/TIM5_CH316PA3/U2_RX/ADC3/TIM2_CH4/TIM5_CH417VSS18VDD19PA4/SPI1_NSS/ADC4/DAC120PA5/SPI1_SCK/ADC5/DAC221PA6/SPI1_MISO/ADC6/TIM_CH1/TIM8_BKIN22PA7/SPI1_MOSI/ADC7/TIM3_CH2/TIM8_CH1N23PC4/ADC1424PC5/ADC1525PB0/ADC8/TIM3_CH3/TIM8_CH2N26PB1/ADC9/TIM3_CH4/TIM8_CH3N27PB2/BOOT128PB10/I2C2_SCL/U3_TX29PB11/I2C2_SDA/U3_RX30VSS31VDD32PB12/SPI2_NSS/I2S2_WS/I2C2_SMBAI/TIM1_BKIN33PB13/SPI2_SCK/I2S2_CK/TIM1_CH1N34PB14/SPI2_MISO/TIM1_CH2N35PB15/SPI2_MOSI/I2S2_SD/TIM1_CH3N36PC6/I2S2_MCK/TIM8_CH1/SDIO_D637PC7/I2S3_MCK/TIM8_CH2/SDIO_D738PC8/TIM8_CH3/SDIO_D039PC9/TIM8_CH4/SDIO_D140PA8/TIM1_CH1/MCO41PA9/U1_TX/TIM1_CH242PA10/U1_RX/TIM1_CH343PA11/CAN_RX/USBDM/TIM1_CH444PA12/CAN_TX/USBDP/TIM1_ETR45PA13/JTMS/SWDIO46VSS47VDD48PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI/SPI3_NSS/I2S3_WS50PC10/U4_TX/SDIO_D251PC11/U4_RX/SDIO_D352PC12/U5_TX/SDIO_CK53PD2/TIM3_ETR/U5_RX/SDIO_CMD54PB3/JTDO/SPI3_SCK/I2S3_CK55PB4/JNTRST/SPI3_MISO56PB5/I2C1_SMBA/SPI3_MOSI/I2S3_SD57PB6/I2C1_SCL/TIM4_CH158PB7/I2C1_SDA/TIM4_CH259BOOT060PB8/TIM4_CH3/SDIO_D461PB9/TIM4_CH4/SDIO_D562VSS63VDD64U2WR22C922C1012Y18MHz104C11104C13104C15104C16104C12104C8GNDDSDASCLB南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 電源轉(zhuǎn)換電路原理圖 STM32F103RC 型號(hào) 的 微控制器的驅(qū)動(dòng)電源為 +， 實(shí)際中可以提供的是 +5V的 直流電源， 所以本電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)的功能就是將 +5V的直流電源通過芯片 轉(zhuǎn)化為 + ， 實(shí)現(xiàn)為 主控芯片 進(jìn)行供電 的 功能 。另一方面，電量計(jì)量單元 作為多功能電能表 的核心部分，計(jì)量的準(zhǔn)確度和精度將直接影響電能表最終 功能實(shí)現(xiàn) 的 程度 ，所以在硬件 電路 的 設(shè)計(jì)中一定要排除影響采樣和 計(jì)量精度的內(nèi)外部因素。如圖 所示，數(shù)字地 GNDD 和模擬地 GNDA 采用磁珠來進(jìn)行連接 ，抑制電源線 中 涌動(dòng)的高頻噪聲和干擾 信號(hào)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。同時(shí)設(shè)計(jì) 由 F和 10μ F 電容 組成的 并聯(lián)電路， 將 該電路 置于電路輸出端，具有濾波和穩(wěn)定電壓的作用， 進(jìn)一步 提高了輸出電壓的穩(wěn)定