基于CORTEX的STM32的三相電能表方案

背景

　　電能表是用來測量電能的儀表，又稱電度表，火表，電能表，千瓦小時表，指測量各種電學量的儀表。基于ARM的方案已經出現，但是適合應用的ARM7 TDMI在性能上不盡人意，同時外設資源不足;而更高端的ARM9系統的復雜程度很高，成本也較高。所以要研究一種廉價的，滿足客戶需求的電能表，來填補這個空缺。

　　一、關于CORTEX-M3與STM32

　　最新一代ARM v7內核，命名為Cortex，同ARM7/9/10/11相比在架構上有了革命性突破。它采用高效的哈佛結構三級流水線，達到1.25DMIPS/MHz，在功耗上更是達到0.06mW/MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自動16/32位混合排列。單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證Cortex-M3的運算能力有大幅提高，Cortex-M3包含嵌套向量中斷控制器NVIC，中斷響應速度最快僅6周期，內部集成總線矩陣，支持DMA操作及位映射。

　　STM32系統按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品;基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能。

　　二、基于STM32的電能表方案

　　根據電能表的功能和誤差精度的需求，我們選用了STM32F103xx，最高工作頻率為72MHz。

　　(一)采集數據處理與計算

　　在實際應用中，電力信號通過互感器采集到電能表中，通過一個6通道16位模擬前端處理器(AD73360)進行A/D轉換，轉換成數字信號并傳輸到STM32中。AD73360是6通道同步采樣的Σ-ΔADC器件，它內置了基本型電壓基準及通道內置獨立的PGA，通過調整通道PGA可以獲得合適的動態范圍從而保證微弱信號的計量精度。

　　電壓電流輸入信號首先需要RC濾波網絡濾波和數據采樣，然后進行A/D轉換。AD73360有獨立的時鐘源，可配置為自動數據采集與發送模式，通過SPI總線不斷的將數據傳向STM32。STM32內的Cortex-M3內核對輸入的數字信號進行處理，完成數字濾波，過零點檢測，得到基本的電流電壓數據，經過時間積分計算和轉換得到相應的電能計量。

　　(二)采樣電路和濾波網絡

　　由于被采樣信號為高電壓信號和大電流信號，我們需要對被采樣信號做高保真轉換為雙極性的電壓信號以便用AD電路離散化處理，我們需要令輸入信號位于AD73360的動態范圍的正中。采用的方法是：定義ADC工作電壓為5伏，選擇參考電壓2.5伏，將AD差分輸入的負端直接接到參考電壓輸入，差分輸入的正端接被測信號。電路分析可以參照圖三：

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