摘要：在输变电系统中，电力仪表由于性能良好，优势极高，因此得到了广泛的应用。当前，伴随着配电配网方式的不断优化和完善，以往传统的模式仪表因为较为单一和滞后，因此和现在提出的配电自动化要求显然不相符，在这一现状下，新型并且功能性强的电力仪表随之出现。该种类型的仪表功能良好，既可以将各种电力参数清晰地显示出来，与此同时，还可以从配电运行情况入手，有效地记录和分析电力参数相关要点，然后借助计算机设备来完成储存各种类型的数据等，把单片机和电能计量芯片相互结合到一起使用是目前的首要目标。基于此，在本篇文章中，主要从性能良好的ARM处理器以及准确性强的电能计量芯片入手，在激发仪表各项功能的基础上探究电力参数采集和IO功能，从而为数据共享和储存、外设控制提供诸多的便利。
关键词：数字化；三相多功能电力仪表；设计分析情况
在本篇文章中，主要从设计三相多功能电力仪表入手，借助准确性好的电能计量芯片来收集和计算相关的模拟数量，并且基于高性能内核处理器为相关事件的处理内核，以此达到仪表测量、计算以及输出等多项自动化功能。从当前情况来看，RN8302属于一项准确性高的电能计量芯片，通过对于此项芯片的应用，能够优化仪表设计中的模拟电路运行流程，确保产品自身的安全性和稳定性。此外，内部包含的DSP运算内核涉及到的运算要点是比较多的，它可以减少软硬件资源的过度输出，在集合DSP数据处理能力和ARM事件处理效果的基础上确保各项数据的完善性。
1、设计思路
作为多功能智慧型网络电力仪表，本设计集成了电量测量、能量统计、电能质量分析、事故报警、大屏幕液晶、网络通讯等功能；还附带丰富、灵活的IO功能，实现遥测、遥信、遥控、计量于一体。根据系统运行情况和相关特征来看，本文主要基于模块化的理念来完成三相多功能电力仪表的设计，主要包含电源模块、核心板模块、电量采集模块、BIBO功能模块四大部分。其中，电源模块为整个系统提供正常工作所需的电力条件，电池作为仪表的备用电源可以保证系统即使在掉电情况下仍能保证电力数据不丢失，在电源模块中还包含了RS485通讯，这是装置与控制中心的通讯窗口；核心板模块是数据汇总单元，也是控制指令发布单元，可完成各模块间的协调、通讯，数据存储，人机接口控制等；电量采集模块对于整个装置极为重要，它需完成三相模拟信号的采集、处理、传输等一系列操作，并且承担着电能的脉冲输出功能；BIBO模块包含开关量输入、开关量输出、模拟量输出，这些IO可以与继电器等其它外设连接，通过编写逻辑完成报警及其它控制。具体的系统结构图如图1所示：
图1 系统结构图
2、关键设计技术
2.1电量采集模块设计
采用RN8302作为电量采集模块的核心芯片，它内部包含运算放大电路、7路AD转换电路，可高精度测量电压、电流、功率、功率因数、电能、谐波等参数，并支持无功四象限判断。
本设计中380V/5A模拟输入信号被转换成800mV的变流电压信号，通过防混叠组容滤波运输到RN8302中，进行采样、计算以及输出。电压电流的采样电路分别如图2和图3所示。
图2 电压采样电路
图3 电流采样电路
电压采集电路采用电阻分压方式进行设计，电流采集电路则是利用电流互感器将一次侧的大电流转换成适合计量芯片采集的小电流，转换后的电压、电流值通过模拟差分电路输入RN8302电流采样引脚，A/B/C三相处理方式相同。
RN8302将采集处理后的数据进行计算与处理，然后通过内部集成的SPI接口准确传输至上层CPU内，以供用户和系统观测、使用。
2.2核心数据处理单元
一般来讲，核心处理器、EEPROM、RTC相互组合形成了核心处理单位，在核心处理器运行期间，通常是借助STM企业生产的ARM处理器STM 32F103RC进行工作，其属于一种新型的处理器，本身是ARM Cortex-M332位的内核，工作频率表现为72MHz，内部包含了高速储存器，其具备高达256k字节的闪存和48k字节的SRAM，而且，其还涉及到功能极强的外设处理器。其中，处理器主要是依靠上述的SPI接口从数据采集单元内获取相关的电压功率和电流情况以及电度累加现象，探究获取的相关数据，将有关的分析结果准确的储存下来。EEPROM通常是应用某项公司研制的EEPROM储存片AT25512，其属于一项作用极高的可编程只读储存器，本身具备经济性良好、操作便利、成本合理以及运行速度快和稳定性高等诸多的优势，内部储存空间为64k，除了可以和当前数据储存要求相一致之外，还能够预留出充足的拓展空间，在一定程度上符合后期拓展需求。最后，RTC实时时钟是以DS1302为时钟芯片，借助外部晶振和纽扣电池来达到相关目的，对于DS1302来讲，是国外某公司研制出来的电能强并且低功耗的实时时钟芯片，其既能够计时年、月、日、时等，同时还拥有着良好的闰年补偿效果。
2.3电源
在电源内部，一般是以隔离式小功率开关电源为主，相关结构为拓扑反击式结构，开关电源芯片的信号为LNK364。所谓LNK364，其实是指国外公司通过不断探究而研制出来的电源控制器，此项电源控制器有着功率性小、成本输出少以及效率高等诸多优势，其中，一项芯片中涉及到了700v的功率MOSFET、振荡器、开关监控、电源以及定期检验的电流限流和热关断电路等。在工作过程中，是从漏极引脚来获取功率的，在不需要偏置绕组和有关电流的情况下便能够得到功率。设计输入期间，电压为90-265VAC，输出5V 500mA，12v100mA.
2.4通讯接口
对于通讯接口来讲，主要是经由处理器中的通用串行通讯接口进行外设引出的，在光耦隔离之后将其反馈到485接口芯片中，然后采取485接口芯片对TTL电平进行转换，更改成差分信号，以此达到两侧制485通讯的目标。另外，还需要设计相关的开关量输出以及输入等。
2.5电力仪表的软件设计情况
多功能电子仪表中的软件结构是包含的程序比较多，其大体上分为了主程序和若干项程序，在这其中，当系统实施初始化、分配资源以及调整子程序的时候经常应用主程序，而子程序不同，其负责将各项硬件模块的功能激发出来。在本系统设计期间，采取C语言、循环体和中断的软件结构展开设计的，大体上涉及到系统初始化、电力参量测量以及通信和数据储存等多方面功能。
3、结语
以上所述，在具体设计期间，一般是使用一体化采样计算的智能电能计量芯片RN8302，其可以优化设计，减少外围器件，增强产品自身的安全性和稳定性。现阶段，将STM 32F103RC作为主要的管理控制期间，其包含的外设和外部接口能够增加设计产品的合理性和经济性，并且，丰富多样的内存空间能够为人机接口的制作提供一定的依据。
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论文作者:王晓娜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
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