基于RN8302的數字化三相多功能電力儀表設計

俞 力張 飛

（1.鄭州祥和集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術有限公司，河南 鄭州 450000）

基于RN8302的數字化三相多功能電力儀表設計

俞 力1張 飛2

（1.鄭州祥和集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術有限公司，河南 鄭州 450000）

本文設計并實現了一種三相多功能電力儀表。采用高精度電能計量芯片RN8302對當前模擬量進行采集和計算，并結合高性能Contex-M3內核處理器STM32F103RC作為事件處理內核，從而實現了儀表的測量，計算，顯示，通訊，輸出，告警等一系列電氣自動化功能。RN8302作為一款高精度的電能計量芯片大大的簡化了儀表設計中模擬電路的設計，提高了產品的可靠性和精度。其內部的DSP運算內核承擔了大部分的運算任務，為處理器實現更為多樣化的功能節省了軟硬件資源。該設計兼備了高性能的DSP數據處理能力和ARM的事件處理能力，不僅從測量精度上能夠滿足要求，而且從功能上也更加靈活、更加多元。

RN8302；Contex-M3；STM32F103RC；數字化；電力儀表

1 前言

電力儀表被廣泛用于輸變電系統的各個環節，隨著配電配網方式的不斷升級和改進，老式模擬儀表已經不能夠滿足目前配電自動化的要求。而伴隨半導體行業的不斷發展，新型的數字化多功能電力儀表應運而生，其功能也在不斷的增加，不僅可以顯示當前電量，而且能夠根據配電特點對歷史運行情況進行全面的分析、記錄，并能夠借助于計算機技術，對所記錄和存儲的數據進行多分析。將單片機與電能計量芯片配合使用將成為目前的主流設計思路。而本文中采用高性能A 理器和高精度電能計量芯片來實現儀 各種功能，借助于ARM強大的事件處理能力，能夠更加完善對數據的分析，更加友好的對數據的顯示，更加全面的對數據的存儲和上傳。

2 整體結構設計

整個儀表的實現主要由電源，模擬量數據采集，模擬量輸出，開關量輸入/輸出，核心數據處理，人機交互和通訊等組成。其中電能計量芯片主要用于模擬量輸入的采集和電能脈沖的輸出。ARM將模擬數據采集和計算結果讀取并作進一步的分析，并存儲分析結果，同時通過按鍵操作對人機交互界面進行控制，并根據通訊規約的設定對內部所存儲的數據進行上傳。系統結構圖見表1。

3 硬件設計

3.1 模擬數據采集設計

采用RN8302作為模擬信號的采集單元，其內部直接集成了運放電路，AD轉換，計算內核，數據接口等。能夠在單個芯片上實現，弱信號的變送，AD轉換，數字化校準，測量計算，電能累計等功能。其測量非線性誤差在0.1%以內，能夠很好的滿足國家電網要求的0.5S和0.2S級多功能電表的要求。其設計思路為，將二次信號（380V/5A）經過微型高精密變送器變為800mV的交流電壓信號，經過防混疊阻容濾波后送入RN8302。RN8302會按照初始化好的參數對模擬信號進行放大，采樣，計算，輸出。CPU通過RN8302上集成的SPI接口對其內部各種運算結果讀取。輸入的模擬信號有三相電壓和電流。接線方式有兩表法和三表法。同時RN8302的脈沖電度輸出接口可連接到數字信號輸出接口，實現脈沖電度輸出。（脈沖常數通過儀表設置實現）

3.2 核心數據處理單元

核心處理單元主要由以下及部分組成：核心處理器，EEPROM和RTC。核心處理器采用STMicroelectronics公司的ARM處理器STM32F103RC，這是一款ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達256K字節的閃存和48K字節的SRAM），并具有豐富的增強I/O端口和外設的處理器。處理器通過其上面的SPI接口從數據采集單元（RN8302）中讀取當前電壓，電流，功率，功率因數電度累加等。將讀取的數據做歷史分析，并存儲分析結果。EEPROM采用Atmel公司的AT25系列EEPROM存儲芯片AT25512。它是一款比較常用且經濟的可編程電擦除只讀存儲器，操作簡單，使用方便，性價比高，可靠性好，讀寫速度快。其內部集成了64K的存儲空間，不僅能夠滿足目前數據存儲的要求，并且留有部分擴展，能夠最大限度地滿足后期擴展需要。RTC實時時鐘采用DS1302作為時鐘芯片結合外部晶振和紐扣電池來實現。DS1302是由美國DALLAS公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片。它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能。

3.3 電源

電源部分采用隔離式小功率開關電源，拓撲結構采用反擊式，開關電源芯片采用LNK364。LNK364是Power Integrations公司的一款小功率、低成本、高效率開關電源控制器，其在一個芯片上包含了700V的功率MOSFET、振蕩器、開關控制、高壓切換的電流源、頻率抖動、每個周期都檢測的電流限流及熱關斷電路。啟動及工作時的功率直接來自于漏極引腳，無需使用偏置繞組及相關電路。設計輸入電壓90-265VAC，輸出5V 500mA、12V 100mA。

表1

3.4 通訊接口

485通訊接口通過處理器的通用串行通訊接口（USART）外設引出，經過光耦隔離后送入485接口芯片（MAX485），由485接口芯片將TTL電平轉化成差分信號，實現兩線制485通訊。

3.5 開關量輸入輸出

設計4路開關量輸入和2路開關量輸出。

結語

設計中采用了一體化采樣計算的智能電能計量芯片RN8302，使得設計簡化，外圍器件減少，提高了產品的可靠性。采用STM32F103RC作為管理主控器件，其內部豐富的外設和外部接口使設計產品更加靈活，其內豐富的內存空間為制作更加人性化的人機接口提供了足夠的資源。

[1]銳能微.RN8302用戶手冊V1.1[Z].

[2] STM32F系列ARM內核32位高性能微控制器參考手冊V10_1[Z].

[3] STM32F103xCDE數據手冊（英文第5版）[Z].

TM932

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