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基于HT5017芯片的SoC单相智能电能表的设计

一、引言

本文采用So C方案设计了一款高精度、低成本、低功耗的单相智能电能表, 并且与传统分立设计方案相比, 该技术方案价格优势明显, 性价比高。So C芯片片内集成32-bit ARM内核、128K flash、8K SRAM, 支持断相防窃电功能的硬件能量计量单元 (Energy Mea鄄surement unit, EMU) 模块, 带有温度自补偿功能的高精度实时时钟 (Real-Time Clock, RTC) 模块, 以及LCD驱动等外设资源, 从而利用一颗这样的芯片就可以实现电能表的计量、时钟、LCD显示和数据管理等功能。

二、系统组成及工作原理

1. 系统组成

本设计主要由表计主控芯片部分 (So C) 、液晶显示模块、存储模块、射频 (Radio Frequency, RF) 通信模块、近红外通信模块、脉冲输出管理模块、电源模块、电流互感器电流采样电路、锰铜分流器电流采样电路、电压分压电压信号采样电路等部分构成。系统以So C芯片HT5017为控制核心, 配合相应的功能模块完成电参数测量等功能。其硬件原理框图如图1所示。

图1 硬件原理框图

图1 硬件原理框图

 

2. 工作原理

本设计采用集成度、功能强大的So C芯片方案, 其工作原理如下:利用So C芯片内部集成的3路高精度模数 (Analog to digital, AD) 转换器对火线电流 (锰铜回路) 、零线电流 (电路互感器回路) 、电压分别采样, 将其量化转换为数字信号, 然后通过相应的数学计算完成对电参数测量、电能量累计等工作及脉冲输出;通过So C内部集成的LCD驱动器驱动外部液晶显示电能表的相关状态信息及用户需要的电参数数据;So C内部有3个串口, 完全可以满足RF通信、近红外通信等通信接口的要求, 非常容易实现用户和智能电能表之间的数据交互;由存储模块存储电能表配置参数、电量数据、负荷曲线与事件记录信息;通过So C内部丰富的普通输入输出 (Common input and output, GPIO) 口和中断资源完成编程按键查询、开盖检测报警输入、背光控制和发光二极管 (Light Emitting Diode, LED) 脉冲输出等功能;电池模块用来支持停电显示功能。

三、HT5017芯片的工作原理

1. HT5017的特点

主控芯片HT5017是一颗低功耗、高性能的单相电能计量So C芯片, 片内集成32-bit ARM内核、128K flash、8K SRAM, 支持断相防窃电功能的硬件EMU模块, 带有温度自补偿功能的高精度RTC模块, 以及LCD驱动等功能。

(1) 基本特点

(1) 工作电压范围:2.0V~5.5V。

(2) 工作温度范围:-40℃~85℃。

(3) 无铅绿色封装:低轮廓四方扁平封装 (Low ro鄄file Quad Flat Package, LQFP) 64。

(2) 处理器及外设

(1) 基于ARM 32-bit Cortex-M0 CPU Core设计, 支持Thumb-2指令集, 包含嵌套向量中断控制器NVIC, 以及可扩展的调试技术。

(2) 存储器资源:128K Flash+512bytes Information Block、8K SRAM。

(3) 高速系统时钟:采用锁相环环路 (Phase-locked loop, PLL) 倍频模式。插入等待中央处理器 (Central Processing Uint, CPU) , 最高工作频率39.32MHz。无等待CPU, 最高工作频率19.66MHz。

(4) 系统低功耗:待机模式 (Hold模式) 下最低功耗3.7μA。睡眠模式 (Sleep模式) 下最低功耗2.9μA。

(5) 具有电源监测功能, 外部系统电源VSYS和电池输入VBAT两个电源内部切换。

(6) RTC模块:外置32K低频晶体, 集成晶体所需电阻、电容;自动温补:内置RTC温度曲线数字补偿系数, 在全温度范围内, RTC补偿无需用户软件参与;辅助RTC:外部OSC晶振停振时, 系统可切换至内部低频RC获得计时时间。

(7) 高精度温度传感器 (Precision Temperature Sen鄄sor, TPS) :-40℃~+85℃温度范围内, 温度传感器一致性优于±0.5℃。

(8) LCD:支持4COM、6COM、8COM的LCD显示, SEG接口最多支持43段。

(9) 最多支持6路UART, 其中复用2路硬件7816协议功能。

10正常模式下, 看门狗 (watch dog, WDT) 模块不可关闭, 保证系统可靠运行。

11内置按键扫描功能, 支持1*4, 2*4, 3*4, 4*4四种键盘扫描。

(3) 电能计量

(1) 有功电能测量误差小于0.1%, 动态范围大于5000∶1, 支持IEC62053-21、IEC62053-22、IEC62053-23。

(2) 三路∑-ΔADC, 可同时输出两个计量通道的参数, 支持灵活的防窃电功能。

(3) 提供有功功率、无功功率、视在功率, 有功能量、无功能量、视在能量。

(4) 支持有功、无功、视在脉冲输出, 并开放脉冲计数寄存器。

(5) 提供高精度有效值、频率、ADC波形数据等计量参数。

(6) 提供多种能量累加方式选择。

(7) 支持增益误差、相位误差的软件校表。

(8) 分别提供两个计量通道的可配置防潜动功能。

(9) 支持EMU低功耗模式:EMU低功耗工作频率可配置为204.8k Hz或32k Hz, 支持掉零线、掉火线的防窃电计量, 低功耗连续计量, 系统功耗优于650μA。

10支持直流计量。

11支持单相三线计量制。

12片内基准电压:1.2V, 温度系数为±10×10-6/℃。

2. HT5017芯片的优缺点

HT5017是一款单相专用电能计量系统芯片, 芯片结构设计严谨, 功能强大并经过了严格测试。使用HT5017进行电能表的开发具有明显优势: (1) 由于高度集成, 芯片对温度、湿度以及电磁干扰的敏感度大幅度降低, 系统的性能和可靠性一定程度上得到了提高。 (2) 内部功能模块丰富, 在应用该芯片进行电能表设计时可以省掉很多外围的功能芯片, 如专门的计量芯片、实时时钟芯片、LCD液晶驱动芯片、掉电检查芯片、硬件看门狗等, 系统成本能够进一步降低。

在使用该芯片开发产品的过程中, 发现前面一批10万片中有一个明显的缺点, 即芯片内部的TPS电路有缺陷, 表现出来的现象是功耗偏大, TPS电路重新设计升级后功耗正常。

四、系统功能实现

电能表主要功能分为测量、处理和显示等部分。电压、电流信号经采样电路输入主控So C芯片, 经AD转换器变换成相应的数字信号, 然后通过相应的数学计算求出电压、电流、功率因数、频率、需量等参数, 通过通信接口与外界通信, 同时记录存储电量数据和事件信息及进行人机交互等。

1. 计量单元

(1) 计量部分硬件电路

电压信号采样电路如图2所示, 电压通过电压网络降压和电阻电容 (Resistor-capacitor, RC) 低通滤波器电路输入So C芯片, 由于So C芯片支持差分信号输入, 所以无需对交流电压信号叠加基准电平。电压采样电路中, 电阻R9、R10、R11、R12、R13是降压电阻, 从而在电阻R14和R15两端产生与输入电压成比例缩小的低电压信号, 由于HT5017 ADC输入电压幅值不能超过800m V, 电阻取值必须是信号降低到模拟数字转换 (Analog to digital conversion, ADC) 输入范围以内。然后电压分压信号经过由R70、R14、R16组成的RC网络进行抗混叠滤波以滤除干扰信号, 最后输入So C芯片。

图2 电压信号采样电路

图2 电压信号采样电路

 

锰铜电流信号采样电路如图3所示, 火线电流通过锰铜、负载电阻和RC低通滤波电路输入So C芯片。

电流互感器 (Current Transformer, CT) 电流信号采样电路, 零线电流通过CT、负载电阻和RC低通滤波电路输入So C芯片。电流信号通过电流互感器CT到电流采样电路 (见图4) 中, 其中电阻R21和R23是电流互感器的负载电阻, 用于将互感器次级线圈的电流转换为电压信号, 同时将信号调整到ADC输入范围。电流取样信号经RC低通滤波器滤波后输入So C芯片。由于锰铜取样后的信号相当微弱, 因此可以设置片上ADC的模拟增益放大器 (Analog gain amplifier, PGA) 前端的放大增益为16倍, 这样信号就能在一个合理的输入范围之内。

图3 锰铜电流信号采样电路

图3 锰铜电流信号采样电路

 

图4 CT电流信号采样电路

图4 CT电流信号采样电路

 

(2) 计量软件实现流程及举例

计量软件主要功能实现基于HT5017的单相智能表的计量单元。电能计量单元EMU包括三路完全独立的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分。三路ADC完成两路电流信号和一路电压信号的采样, 数字信号处理部分完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。

通过特殊功能寄存器 (Special Function Registers, SFR) 和中断的方式, 可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取;计量的结果还通过PF/QF/SF引脚输出, 也即校表脉冲输出, 可以直接接到标准表进行误差对比。

软件提供专门的通信接口对计量参数进行校准。校准流程的通信规约利用IEC62056-21规约。

表计程序流程图如图5所示。

2. 显示单元

通过So C内部的LCD驱动器直接驱动外部段式液晶模块进行显示。LCD驱动电路SEG0-SEG12为段输出, COM0-COM3为公共输出, 接LCD背极;17个电容用于滤除干扰信号, 提高整表的静电放电 (Electro Static Discharge, ESD) 和电磁兼容性 (Electro Magnetic Compatibility, EMC) 性能。对LCD的软件配置很方便, 配置好LCD模块的时钟源flcd周期、快速充电模式以及实际使用SEG脚后, 根据显示内容与LCD各段的映射关系将数据写入LCD内存寄存器即可。

3. 时钟单元

采用So C集成的硬件RTC模块实现时钟日历功能。带自动温补:内置RTC温度曲线数字补偿系数, 在表1全温度范围内, RTC补偿无需用户软件参与。

表1     下载原表

表1

4. 通信单元

采用So C的UART3作为RF通信的接口, UART4作为近红外通信的接口, 将其中的两个GPIO口模拟为内部集成电路 (Inter-Integrated Circuit, I2C) 通信接口。

五、样机实验结果

基于HT5017的单相电能表在完成硬件电路原理设计、线路板设计、电路模块的元器件的焊接、整体调试和校表后对其进行了基本误差试验。其中, Un条件下, 基本误差试验电流点为0.05Ib、0.10Ib、Ib、Imax (Ib为基本电流, Ib=10A, Imax为最大电流, Imax=40A, Un=240V) 。每个试验电流点分别测试了1.0、0.5L、0.8C功率因数的误差, 样表的误差数据如表1所示。

样机误差控制在0.05%之内, 符合内控标准。准确度优于IEC62053-21关于1级电能表的要求。

六、结束语

该单相电能表可以用于商业计量和家庭计量应用, 其可以测试无功电能、有功电能, 并且测量准确度满足IEC62053-21 1级单相电能表的技术规范要求。与电能表的传统分立设计方案相比, 具有更高的性价比和可靠性, 具有更强的可扩展性, 具有更高的市场竞争力。该款电能表已进入量产阶段。同竞争对手相比具有更好的价格, 更高的性能和准确度, 是一款值得市场大力推广的单相智能电能表。

图5 整表程序流程图

图5 整表程序流程图

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