关键词：电量计量；SOC；电能表；精度；校表台

Design of Electric Energy Meter Based on Domestic SOC Chip

Ding Limei ,ZHang Enshou,Yang Jinting,ZHang Ru,Li Qiaoying

(1. Kunming Institute of Physics,Kunming 650231;

2.Kunming Electric Appliance Research Institute, Kunming 650221;)

Abstract: The SOC(System on Chip) is a special chip specially designed for the measurement of electric energy. It can be used to design the watt-hour meter conveniently, and has the advantages of more readable parameters, various measurement methods and high accuracy. A design of multi-parameter watt-hour meter based on the home-made SOC is presented. Through debugging and calibration, the precision can be greatly improved.

Keywords: Electric metering; SOC; Watt-hour meter; Precision; Calibration table

1  引言

电能作为一种应用最广泛的能源之一，其计量和统计的终端设备为电表^[1-5]，电表计量的准确性对企业生产管理及用能考核有较大影响，并且随着“碳达峰”和“碳中和”概念的提出，合理用电，精确监控用电和挖掘节能点是企业未来的一个重要工作环节。电量计量SOC在高精度计量表被广泛使用，主要的电量计量芯片厂家大部分为国外厂家，如亚德诺半导体、凌云半导体^[6-12]；国内主要有钜泉光电、锐能微、贝岭等，本文就锐能微的电量计量SOC芯片提出一种电能表设计方案，采用计量SOC+计量芯片的方式，SOC主要负责处理事件，计量芯片负责模数转换，实现了电能相关的多参数测量，通过校准提高准确度^[13-15]。

2  硬件电路

硬件上采用锐能微的RN8312 SOC芯片作为主控制器，电量计量芯片RN8302B作为模数转换芯片，RN8312属32位高性能精简指令集CPU，集成了电能表常用的外设，液晶驱动接口、EEPROM、RTC、7816、串口等功能；电量计量芯片RN8302B带有7路ADC通道，实现三相电压电流及零线电流的采集，可以提供基波、全波有功、无功和视在电能，功率方向，基波、全波及谐波的电压电流有效值，相序接错判断，失压、过压过流及电压暂降检测等功能。除了常规的电能脉冲校表法外，RN8302B还支持功率校表法。

RN8312主要负责读取参数、显示、存储参数和通讯，计量芯片负责电量参数的计算，RN8312与RN8302B采用SPI协议进行通讯，通讯速率可达3.5Mbps。

2.1  采样电路

RN8302B模拟输入端采用差分输入，三相电压和电流输入通道的幅值不能超过800mV，因此电压和电流需要进行转换才可以，设计采用电阻分压方式对三相电压进行采集，电流则通过电流互感器和采样电阻进行采集。电流互感器二次侧输出微电流信号经采样电阻后转为电压信号，经RC低通滤波器后采用差分模式输入到计量芯片的ADC引脚。

2.2  通讯电路

设计两路通讯电路，主要负责电表与上位机通讯，读取参数和设置电表，通讯硬件设计为RS-485接口，软件上支持MODBUS-RTU和DLT645-2007两种协议，通讯电路如图1所示。

2.3  电源电路

电源电路采用三路，一路主供各芯片工作，一路供通讯电路，另外一路供RTC的实时时钟电路。通讯电路电源和主供电源隔离，采用直流稳压电源，经变压器、整流桥及滤波电容后，经LDO转为各幅值电压，电源电路如图2所示。

2.4  存储电路

存储电路主要分为两块，一块用做存储电表的配置参数，另外一块用做事件记录。硬件上配置参数存储器采用EEPROM，事件记录存储器采用NOR FLASH，接口上配置参数存储器采用IIC接口，事件记录存储器采用SPI接口。事件记录存储器采用文件方式对异常事件进行记录，配合RTC实时时钟，记录时间和异常类型及其他参数，NOR FLASH挂载嵌入式文件系统FATFS，对文件进行读写等管理。

2.5  计量电路

计量芯片外围电路如图3所示，主要包括晶振，SPI接口，脉冲输出等，晶振采用8.192MHz，在相关配置参数计算时晶振的值需要参与，因此晶振的值和精度与电表的精度相关。为了避免电磁干扰，SPI接口采用串接电阻，并且时钟、主入从出、主出从入及片选信号都采用上拉，ADC接口采用差分输入，在印制电路板设计时需要注意差分走线规则，尽量所有信号都走同一层。

3  软件设计

软件设计部分包括驱动程序和上位程序，驱动程序主要包括计量芯片的驱动、液晶显示屏、存储和通讯等外设驱动及文件系统FATFS、MODBUS-RTU和DLT645-2007通讯协议适配。为提高精度，本文采用C#作为上位程序开发平台，利用多功能电表的通讯接口读取仪表的示值，计算各校正寄存器的值，通过通讯接口下发到仪表，写入对应的寄存器，完成校准。

3.1  RN8302驱动

RN8302B初始化程序包括：SPI接口的配置和RN8302B的运行模式设置。SPI接口配置需要使能GPIOA的时钟和SPI0的时钟，将SPI接口的串行时钟、主出从入设置为复用功能，主入从出设置为浮空输入，片选信号设置为推挽输出。SPI接口的时钟极性设置为低电平，时钟相位设置为上升沿采样；数据端格式采用高字节在前，低字节在后格式；SPI数据帧的大小设置8位，即一个数据帧发送一个字节；片选信号采用软件管理方式，通讯工作方式采用全双工，SOC既可以读取计量芯片的数据，也可以发送数据到计量芯片。

RN8302B的运行模式主要包括设置工作在计量还是低功耗，输出脉冲口配置，运行时的接线方式是三相三线制还是三相四线制，通道使能。运行模式设置配置步骤如下：（1）读取芯片的ID号码，如果读回数据为0x830200，证明通讯正常，读写功能正常，芯片ID号码寄存器地址为0x18f；（2）设置计量芯片工作在计量模式，往寄存器0x181写入0xA2即可配置工作模式为计量模式；（3）复位计量芯片并等待20毫秒以上，往寄存器0x182写入0xE5即复位计量芯片；（4）配置脉冲输出口，计量芯片的CF1和CF2引脚输出为有功、无功和视在的选择，类型选择为基波或者全波，脉冲输出口寄存器地址为0x160；（5）连接方式的配置，通过往寄存器地址0x186写入0x33或者0x00，配置连接模式为三相三线制或者三相四线制；当写入0x33时，配置为三相三线制；当写入0x00时，配置为三相四线制。

3.2  其他外设初始化

其他外设如LCD接口、EEPROM的IIC接口、NOR FLASH的SPI接口、通讯RS-485的USART接口、智能卡、红外接口、按键等是电表的常用接口，LCD液晶屏采用段码屏，考虑管脚复用问题，不采用SOC上的LCD接口管脚，采用外置LCD驱动芯片，其接口协议为IIC，存储IIC接口初始化过程与之类似，首先使能GPIOC和GPIOB时钟，配置引脚为开漏复用输出，设置IIC时钟速率为400000和时钟占空比为2：1，地址格式为7位，并且使能应答信号。读写前判断IIC总线是否被占用，否则等待IIC总线被释放。发送存储地址或液晶屏的COM地址，并等待发送完成，然后再发送数据。EEPROM存储器容量为64K字节，其地址大于256，需要分两次传输，第一次先传高字节，第二次传低字节。

NOR FLASH接口与RN8302B的接口相同，其初始化过程类似。该存储器按页和块进行读写，其容量为8M字节。RS-485初始化包括：使能GPIOA时钟，配置PA9、PA2为复用推挽输出，PA10、PA3为浮空输入，RS-485的波特率采用按键选择，默认为9600bps；校验方式设置为无校验，字长设置为1个字节，停止位为1位，使能收发模式，不使用硬件流控制。

3.3  协议的适配

协议层主要是文件系统FATFS、通讯协议MODBUS-RTU和DLT645-2007，文件系统挂载在NOR FLASH上，记录运行过程中异常事件，以文件形式保存；FATFS需要注册几个基本函数，包括存储设备状态的获取、存储设备的初始化、存储设备的读写、存储设备的其他功能以及时间戳获取，其中时间戳通过RTC实时时钟获得事件发生时的时刻，一同写入文件中。通讯接口为两路RS485，其中一路适配MODBUS-RTU协议，另外一路适配DLT645-2007。

MODBUS-RTU的适配也需要注册几个文件，包括USART的接收缓冲区非空中断和USART发送缓冲区空中断的配置、USART的初始化、接收和发送一个字节功能以及中断处理子程序，由于MODBUS-RTU的数据帧间隔有明确规定，需要满足才能正确解析，因此需要采用定时器进行帧间隔控制，定时器采用通用定时器，定时器的注册函数包括定时器的初始化、定时器更新中断处理子程序、中断的使能，最后需要映射输入寄存器、保持寄存器、线圈的起始地址和定义，以及输入寄存器、保持寄存器、线圈的处理函数。DLT645-2007协议的适配过程与此类似，注册一些基本的底层函数。

3.4  上位软件校准

RN8302B支持脉冲校准、功率校准和矢量校准等校准方法，通过标准源与所设计电表的示值进行比较和计算，往设置寄存器上写入校正数据，即可实现电能表的校准，提高计量精度。

本文选择功率校准法作为校准，其步骤如下：

4  结语

本文提出的一种低成本、少量运算基于国产电量计量SOC和计量芯片设计的电表设计方案，由于相关电参量的获取无需复杂的三角、累积运算，直接读取计量芯片的寄存器值，节省了芯片内部的资源和运算开销时间。通过利用计量芯片内部高精度ADC及相关完善的事件中断，结合功率校表技术和C#软件开发的校表平台，电表的校表效率和准确度大幅提高，为电测仪表行业设计和校准提供了一种思路和实现方式。

参考文献：

[1]刘淮霞. 多功能智能电表设计[D]. 淮南：安徽理工大学，2018.

[2]颜世佳,朱香佳,刘茗中,等. 基于智能电表的电能监测系统设计[J]. 机电信息，2020,27:136-137.

[3]程卫东,徐京生,纪明佳,等. 功率法校准三相智能电表的设计及实现[J]. 电工技术，2020,12：122-124.

[4]梁光胜,秦菁. 智能电表应用研究及其PLC通信芯片的设计[J]. 电气时代，2013，21(22)：76-79+83.

[5]岑华. 基于PLC的智能电表运行故障监控系统设计[J]. 制造业自动化，2018，40(11)：138-141.

[6]宋艳丽宋燕鑫，朱静. 基于全相位FFT的电能质量谐波检测新方法研究[J]. 成都航空职业技术学院学报，2018，34(4):49-51.

[7]唐立学,宗平. 供电系统谐波测量与分析[J]. 电子技术与软件工程，2018，000(005):244-244.

[8]杨磊. 谐波与电压波动对电能计量的影响研究[D]. 南京：东南大学，2017.

[9]叶蓓,何强. 基于国产MCU的电流输出装置的设计与实现[J]. 上海船舶运输科学研究所学报，2020，43(2):15-20.

[10]吕华溢,谢政. 一种软硬件自主可控的嵌入式实时控制系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2017，17(3):27-31.

[11]钟永彦,吴亚,陈娟,等. 基于RN8302和Python的电能测控系统设计[J]. 电子器件，2019,42(4):877-881.

[12]单文松. 基于STM32的单相电能质量监测仪的设计与实现[D]. 济南：山东大学，2018.

[13]田星星,李龙龙,王瑞. 台区智能终端数据集采APP的设计和实现[J]. 电气技术，2021，22(2)：96-100.

[14]张志荣. 智能电表计量失准现象的分析方法[J]. 电气技术，2021，22(5)：85-88.

[15]韩海安,程昱舒. 多表位直流电能表自动检定装置的研制[J]. 电气技术，2019，20(2)：53-56,63.