【文章內容簡介】 硬件冗余設計技術，抗飽和技術和線性補償技術等。 課題研究背景 及內容 課題研究背景 社會經濟的發(fā)展，帶動電能的迅猛發(fā)展；現(xiàn)如今電力系統(tǒng)的發(fā)展又成為了國家經濟發(fā)展和國民生活質量提高的決定性因素。作為測量電能的儀表，電能表的發(fā)展就變成了關系國家百姓生活舒適度的一個重要的工具。高精度的三相多功能電能表的 研制 和 應用 ,是適應時代發(fā) 展的重大項目，并且可以拉動整個儀器儀表業(yè)的發(fā)展，擁有不可估量的 經濟價值。研制功能強大、使用方便、功耗低的電能表也和國家建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的社會理念相契合。 課題研究內容 本課題旨在從實際需求出發(fā)，設計一款經濟實用且結構簡 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； 然后依照本課題要實現(xiàn)的功能，從實 現(xiàn) 功能的可行性、可能性和使用方便性等方面進行考慮，進行整體設計方案的選擇和論證。再依照模塊化 思想 的設計原則，將整個硬件設計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院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 模塊以及 RS485 通訊接口模塊等模塊進行單獨地設計，最后通過連線將不同 的 板子進行整合， 建立 各個 電路板 之間的聯(lián)系， 完成整個課題的硬件部分設計。同時要對軟件開發(fā)平臺進 行認真地了解，同樣采用模塊化的思想，編寫各個模塊的軟件程序，實現(xiàn) 相應 模塊 的 預期 功能。最后進行軟硬件部分之間的 測試 和實驗 ，如果發(fā)現(xiàn)存在問題，就及時地解決問題，不斷地完善軟件 的程序設計和硬件電路設計。最終 完成整個課題的設計工作。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 第二 章 多功能電能表硬件設計 整體方案設計 本文 設計的三相多功能電能表 的 硬件 ， 在整體結構上主要由主控模塊、電源 轉換模塊、電流電壓采樣 調理 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 存儲模塊組成。 其中 系統(tǒng) 的 總體結構框圖 ， 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 理A D C通 道通 訊 接 口 模 塊電 源 模 塊按 鍵 輸 入 模 塊存 儲 模 塊段 碼 顯 示 模 塊電 流 采 樣 調 理 圖 系統(tǒng)總體結構框圖 本 文中 主控芯片采用 型號為 STM32F103RC 的微控制器，在保證電流、電壓采樣精度的前提下，使得結構盡可能的簡潔，避免了復雜多變的電路布局，更加方便PCB 板的制作，并且成本 較為 低廉。其中， 在 采樣 調理 電路的 設計 中 ， 采用 電流互感器進行電流信號的采樣 ， 而電壓采樣部分使用高精度電阻 分壓網絡 進行 采樣設計 。 主控芯片 的 選擇 在 設計 多功能電能表的 過程中， 確定 主控芯片 時 ， 一般 有兩種選擇方案 。 片上 系統(tǒng) SoC 往往 會成為 設計者 的選擇， 這是 一種 專用的電能 計量 芯片，內部集成了 CPU和 一系列電能 計量 的 功能模塊 ，自行對采集到的電量進行 轉換 和計算，軟件設計 部分 簡單，易于實現(xiàn) 。 但 是片上系統(tǒng) Soc 價格 昂貴， 會使得 整個設計 的 成本 大增 ， 因而 這種片上 系統(tǒng)不適 用 本課題 進行 設計。 本文 選擇使用型號為 STM32F103RC 的 微控制器作為主控芯片 ，其中 電量 計算的 任務 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 的設計 成本 ， 并且該型號的芯片 也具有 一系列 顯著的 優(yōu)點 。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 STM32F芯片簡介 基于 ARM7 和 ARM9 內核進行設計是微控制器發(fā)展的一個 典型 趨勢， 2021 年第一個基于 ARM CortexM3內核的微控制器 STM32由意法半導體（ ST Microelectronics,簡稱 ST）推出。 Cortex 系列主要擁有 3 個不同的分支， 分別是 A 分支， R 分支和 M分支。 STM32 隸屬于 M 分支，屬于 微控制器系列產品， 同時在結構組成上 STM32也分為基本型和增強型兩個不同的版本。其中 STM32 的 基本 型外掛的設備 數(shù)目 少，最高只能承受 36MHz 的時鐘頻率 ,而增強型的 STM32 擁有完整的外部設備，同時CPU可以在 最高 72MHz 的時鐘頻 率下運行 STM32F芯片優(yōu)勢 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 的 功率損耗為目標的， STM32 的出現(xiàn)是微控制器領域的一個新的飛躍，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，布局精巧，器件放置緊密且不失獨特性。比如 STM32 具有兩個 12 位高精度的 ADC 轉換器，并且在一定的條件下可以實現(xiàn)同時工作，衍生出多種轉換模式， 功能強大 。 (2) 可靠性。 STM32 的外設布局越來越精密，但是對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、時鐘管理器和看門狗等。比如時鐘管理系統(tǒng)負責監(jiān)測外部時鐘的工作，一旦外部時鐘源發(fā)生問題，系統(tǒng)就會自動將內部振蕩器切換為主時鐘源。 (3) 安全性。信息時代，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 泄露和被竊取，一旦出現(xiàn) 想要獲取芯片內部信息的行為 ，引腳狀態(tài)就會被拉高， STM32 會自動清除芯片內部信息。從而最終確保信息的安全性。 (4) 在線調試。 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 調試 。在軟件平臺上編寫的程序可以通過下載口，下載到 STM32 芯片內部，進行在線調試，方便實時發(fā)現(xiàn)錯誤并進行及時的修改，實用性強。 硬件 電路設計 主控電路設計 本課題以型號為 STM32F103RC 的微控制器作為主控芯片。 要實現(xiàn)多功能電能南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 表的預期功能，主控芯片必不可少，電 量 計量的任務、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 設計 和 進行。 STM32F103RC 微控制器的最小系統(tǒng) 由 復位電路、時鐘電路、電源 轉換 電路和下載電路組成。其中，復位電路就負責主控芯片的初始化；時鐘電路負責為系統(tǒng)提供時鐘基準，但是在本課題中，系統(tǒng)利用的是內部時鐘，因而并沒有 特意 設計外部時鐘電路；電源 轉換 電路 負責 對給定的 電源進行轉換，然后 作為系統(tǒng)運行時 的 驅動源； 下載端口 是連接硬件和軟件的“橋梁”，負責將編寫的程序下載到 制作好 的 電路板中，進行調試和驗證 。 其中主控芯片 的 原理圖，如圖 所示。 圖 主控芯片原理圖 STM32 芯片自身攜帶內部 RC 振蕩器，為 芯片 提供 時鐘基準，本課題 中采用的主控芯片 屬于 增強型的范疇， 可以在 72MHz 的時鐘下運行。但是內部 RC 振蕩器 的不足之處 是：準確性不夠，而且 穩(wěn)定 性 不好 ，所以在設計時常采用 外部 的晶振時鐘源。通常情況 下， 外部時鐘 源 可以分為高 速外部振蕩器 、 低速 外部振蕩器 和時鐘輸出。 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 為主控芯片提供時鐘基準。同時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 整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高。 因為 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 給定的 電源 進行轉換 。 本課題中， 設計的 電源轉換電路采用的 芯片型號 是 ，此電平轉換器件 具有體積小、 損耗 低 并且穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，同時它最高可以輸出 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絡芯片進行匹配， 因此 得到了普遍的應用。 該系統(tǒng) 中 電源轉換電路 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南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 圖 電源轉換電路原理圖 STM32F103RC 型號 的 微控制器的驅動電源為 +， 實際中可以提供的是 +5V的 直流電源， 所以本電源轉換電路實現(xiàn)的功能就是將 +5V的直流電源通過芯片 轉化為 + ， 實現(xiàn)為 主控芯片 進行供電 的 功能 。另一方面，電量計量單元 作為多功能電能表 的核心部分，計量的準確度和精度將直接影響電能表最終 功能實現(xiàn) 的 程度 ，所以在硬件 電路 的 設計中一定要排除影響采樣和 計量精度的內外部因素。如圖 所示，數(shù)字地 GNDD 和模擬地 GNDA 采用磁珠來進行連接 ，抑制電源線 中 涌動的高頻噪聲和干擾 信號，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。同時設計 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， 進一步 提高了輸出電壓的穩(wěn)定