基于MKM34Z128计量芯片的三相电能表设计_开题报告

1.1产品需求

随着经济的迅速发展，用电量日益增加，现代生产对工厂、大型设备的用电配置、管理和电参数的监控要求越来越高；国家采取多费率用电政策，以消峰填谷，平衡用电；国内外专门用于电度计量的芯片也是日益发展，以计量芯片为核心的多功能电能表的生产已成规模。同时，考虑到安装使用方便，拟设计开发的导轨式安装、多功能集成、分时电量计量、价格低廉、运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强的三相电能表，具备以下功能：检测显示三相电流、三相相电压和线电压、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、三相总有功功率、总无功功率和总视在功率、电源频率、总功率因数、分8时段正向有功电能和负向有功电能、正向无功电能和负向无功电能、正向总有功电能和负向总有功电能、正向总无功电能和负向总无功电能等电参数，具有非常广阔的市场前景。

1.2国内研究现状

1.2.1深圳锐能微

深圳锐能微主要为单相计量芯片RN8209G和三相计量芯片RN8302了，自2009年研发成功单相计量芯片以后，锐能微出货量大幅增加，2011年达到3372万颗，2014年出货量增加达到3452万颗，占国家电网和南方电费招标数量的比例达到39.0%。

1.2.2上海贝岭

上海贝岭股份有限公司具有多年的电能计量产品研发经验，其电度表芯片产品型号主要有单相的BL0930、BL0932B、BL6503、BL6501，三相的BL0952、BL0962，和三相四线的BL6513、BL6514。其中，贝岭新推出的BL0930采用0.35μm CMOS工艺，对正、反向有功功率均可进行测量，并且可转换成正向有功功率的脉冲输出，同时可以输出指示反向用电情况，具有较强的防窃电能力。

1.3国外研究现状

1.3.1美国飞思卡尔半导体公司

是全球领先的半导体公司，为汽车、消费电子、工业控制和网络市场设计并制造嵌入式半导体产品。在全球拥有设计、研发、制造和销售机构。飞思卡尔利用在嵌入式领域的专业知识，在充分研究中国国网新标准有关单相电表设计要求的基础上，飞思卡尔专门推出的64引脚的单项电表用MKM14Z64CHH5、MKM14Z128CHH5，100引脚的三项电表用MKM34Z128CLL5等产品，内置晶振，功耗仅为15mW，在输入动态范围500:1内，非线性测量误差小于0.1%。。凭借多年对智能电网行业的关注和研究，飞思卡尔在整合全球研发力量的基础上，不断推出能够促进电能管理行业发展的各种创新技术，坚持以开放的视野支持电能管理部门应对电网改造给行业带来的挑战。飞思卡尔此次推出的电表参考设计完整解决方案，基于专为用电计量市场量身定制的先进MZ系列MCU，可为开发者提供完整的即插即用解决方案，不仅能降低成本和加快面市时间，更将加速一体化智能电网的建设。

1.3.2美国模拟器件(ADI)公司 

是国际著名的IC设计公司，公司在高性能模拟集成电路（IC）、数字信号处理器（DSP）技术领域居于业界领先地位，其产品在整个IC行业占据了非常大的份额，他们的研究方向代表了IC设计的发展方向。其中型号为ADE7878高精 度电能计量芯片，测量精度可达到0.1%，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能。

2、范文提纲

2.1本课题研究的内容

本课题是在对电能计量和数字信号处理理论研究的基础上，以飞思卡尔MKM34Z128CLL5为主要计量以及控制芯片，利用单片机技术，设计开发三相电能表，硬件外围电路采用模块化设计，装置可靠性高，硬件电路及软件程序抗干扰能力强。。其中电压电流采样模块实现了将电网中的不可直接测量的大电压大电流转变成为可以用来处理测量的小电压小电流。电源模块为整个智能电表提供了稳定的电源。LCD模块为用户提供了清晰，实时的电量信息。软件分为启动前的动态自检程序，计量电量的电能脉冲采集程序，数据信息处理和交换的数据存储程序，通讯中断子程序。在单片机的核心控制下，实现了多功能电能表电能分时段计量、数据通信等功能。装置具有光电隔离的RS-485通讯口，支持常用通讯协议，易于构成高效电测网络。测量精度为0.5级，段码式LCD液晶现场显示。

2.2产品的功能

2.2.1 测量功能

测量显示三相相电压Ua、Ub、Uc

测量显示三相线电压Uab、Ubc、Uca

测量显示三相电流Ia、Ib、Ic

测量显示三相有功功率Pa、Pb、Pc

测量显示三相总有功功率P、总无功功率A、总功率因数PF

测量显示电源频率F

测量显示总正向和负向有功电能KWh、总正向和负向无功电能KVarh。

2.2.2通信功能

采用标准RS-485通信串行口和应用Modbus 通讯规约。

2.2.3可编程状态设定

允许用户对CT、PT变比、通讯地址及波特率、电能初值设置等参数进行更改设定。

2.3 本课题的实现方案

2.3.1 硬件方案

2.3.1.2 CPU资源配置（MKM34Z128CLL5）

是整个多功能电能表硬件的核心部分，它是电能表的“大脑”，外围所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。单片机通过烧制在其中的各种程序，控制着其它硬件模块的工作状态。

2.3.1.3电源模块

为整个电能表硬件系统正常工作供电，它通过电能变换将主电网中的220V交流降压、整流为5V的直流。在掉电情况下，为了保证时钟的连续性和准确性，还有专用的电池供电。

2.3.1.4数据存储模块

数据存储模块选用FM24C16A，是所有电能信息的存储单元，读写寿命为100亿次，掉电数据保存10年，读写数据无延时。

2.3.1.5 RS485通信模块

是电能表与外界设备进行数据交换的场所，RS485通信模块实现了单片机与上位机的通信。当上位机发出命令要求上传数据时，单片机就将数据通过RS485通信模块送出。上位机的数据也同样能够通过RS485模块下传给单片机。

2.3.2软件方案

2.3.2.1主程序

主控程序要使单片机能够指挥各个部分电路有序地完成电能的计量，数据的存储与通信，显示。主控制程序就是调试各个子程序模块来实现整个系统的各项功能。整个单片机资源的调配，管理以及信息的流向都由主程序来实现。

2.3.2.2动态自检程序

程序首先完成单片机和外设的初始化和自检工作。自检的内容包括对单片机指令系统、定时器、中断等自检。

2.3.2.3电能脉冲采集程序

电能脉冲采集是多功能电能表最基本的功能。因为电能脉冲信号经过二分频，所以只需对分频后的信号电平进行判断，如果判断出此信号由高电平到低电平或由低电平到高电平变化一次即为收到一个脉冲。

2.3.2.4 软件抗干扰措施

软件还采用设计多个软件看门狗，用以监视整个程序和重要模块的运行；采用指令冗余技术，减少程序跑飞的概率；

3、参考文献

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