绿色传感网中智能抄表系统设计(2)

2.1计量模块

计量模块是智能电表的核心模块之一，将电流采样和电压采样所得的信号进行运算，得到能量当量脉冲、电能品质参数等。计量芯片采用STPM01。该芯片前端集成了模拟的电流电压采样、放大、滤波和幅度、相位补偿单元，后端则是DSP处理单元和SPI接口，可以计算出有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值以及电流有效值和瞬时值。计量模块结构如图3所示。

STPM01与处理器构成主从机模式计量方案。信号经过SPI口，通过ADUM1411四通道隔离器，连接至MCU的SPI管脚。MCU将初始化及校表信号发送给该计量模块，修改其配置位APL、KMOT、MDIV、TMP等。STPM01则将配置状态信息、计算测量数据发送给MCU模块。此处，设置APL位为0，使电压过零信号在MOP管脚输出，看门狗信号在MON管脚输出。配置KMOT位，在光耦隔离后输出3000Pulse/kWh的视在功率脉冲。校表时，MCU向计量芯片的56位OTP存贮器写入预设校表数据，需要修改时则可以在处理器模块中调整参数值，再重新写入。

2.2MCU模块

处理器采用STM32F103，为基于Cortex-M3内核的32位微处理器，64管脚。处理器工作频率为72MHz，内置128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM。可采用7路通用DMA直接管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输。电表的MCU模块结构图如图4所示。

该模块以处理器为核心，从SPI口接收STMP01送来的状态信号和能量信息，通过I2C口扩展EEPROM存储设备M24512R和RTC时钟M41T83，通过USART接RS485通讯。在驱动LCD模块时，除公用初始化引脚RESET外，还使用了6个处理器管脚作为控制端，其中PB2作为LCD背灯控制端，PB8脚为定时器引脚，作为LCD信号中断请求使用。另外，按照STM32的特性，设置BOOT0，BOOT1两位值设为0X时，模式为读取主闪存；设为11时，模式为读取内置SRAM。

2.3通讯及接口卡模块

方案设计了RS485、电力线载波、红外三种通信方式。其中电力线载波采用ST7570集成载波通讯芯片。接口设计了ESAM卡、SmartCard以及miniUSB接口。其中，红外通讯的电路图如图5所示。

2.4电源模块

电源采用开关电源结构，其设计示意图如图6所示。市电经过雷击、过流保护、过压保护，滤波，整流进入高频变压器，从变压器二次侧分成三路绕组，分别经KF50B电压调节器稳压后引出。一路给RS485通讯部分供电；一路又分为两支，+12V一支直接给继电器和电力载波供电，另一支经DC-DC变换后给MCU、唤醒电路供电；第三路则给隔离、比较器及其他部分模块供电。控制开关部分采用VIPER27芯片，集成了一个电流PWM开关和N沟道的MOSFET，最小击穿电压为800V。二次侧分成三路绕组引出，增加了一定的布线难度，但是简化了电路模块间的隔离。为减小电磁干扰，在输出+12V绕组接一个330pF/100V电容，+5V输出绕组接入330pF/2kV电容，在PG与地之间还单独并入防串扰电容。