本實(shí)用新型屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)今每個(gè)國(guó)家的電能消耗逐年增長(zhǎng)，而通過能量效率測(cè)量和利用節(jié)能技術(shù)來降低電能消耗成為節(jié)能減排的重要途徑。隨著電能消耗和質(zhì)量監(jiān)測(cè)變得越來越重要，其相應(yīng)終端設(shè)備的研究也成為新的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究中有的通過電能表采集電能計(jì)量參數(shù)并提供RS485總線傳輸接口，也有的采用DSP進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量單元設(shè)計(jì)，并將多個(gè)單元插入ARM控制底板實(shí)現(xiàn)多通道電能質(zhì)量測(cè)量。無論是采用電能表還是其它形式的采集終端，組網(wǎng)（RS485，WIFI或以太網(wǎng)）成本高且不靈活。而采用ARM處理器或DSP處理器價(jià)格比較高，不適用于一些工業(yè)場(chǎng)合。此外現(xiàn)有終端基本不具有本地存儲(chǔ)功能，當(dāng)傳輸接口出現(xiàn)問題時(shí)無法恢復(fù)歷史數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)采用現(xiàn)有電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)且具有本地存儲(chǔ)能力的電能計(jì)量和供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端對(duì)與工業(yè)電能消耗監(jiān)控、分析和管理具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)，最終有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電能消耗和質(zhì)量監(jiān)控的基于電力載波的電能消耗與質(zhì)量監(jiān)控終端。

本實(shí)用新型是由主控模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電力載波接口模塊組成；

主控模塊電路采用STM32F103RBT6芯片：主控模塊U1的28腳、29腳和30腳連接有開關(guān)S1、電容C1、電阻R1組成的復(fù)位電路，電源BT1、二極管D1、D2、晶振JZ1組成掉電保護(hù)電路；主控模塊U1的1～5腳連接有電阻R2、晶振JZ2、振蕩電容C2、C3組成的振蕩電路，濾波電容C4、C5、電感L1組成的濾波電路，主控模塊U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，主控模塊U1的21、22引腳與C7相連接組成去耦電路，主控模塊U1的19、20引腳與C8相連接組成去耦電路，主控模塊U1的17、18引腳與C9相連接組成去耦電路；主控模塊U1的26、27腳接發(fā)光二極管LED1和LED2以及限流電阻R3、R4組成用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)電路；

采集模塊電路采用ADE7880芯片：采集模塊U2的9、10、11、12、13、14、15、16引腳通過SPI總線與U1的8、9、10、11、12、13、14、15引腳相連接，采集模塊U2的17、18引腳與電壓采集電路P1的VN、VCP相連接，電壓采集電路P1包括分壓電阻R6、R7、R8、R10，壓敏電阻R9和由C10、C11、C12組成的濾波電路，采集模塊U2的1、2引腳與電流采集電路P2的IAP、IAN相連接，電流采集電路包括D3、D4、D5、D6組成的保護(hù)電路和穩(wěn)壓二極管D5以及R10、R12、C13、C14、C15組成的濾波電路，采集模塊U2的4、5引腳為連接B相前端電路的引腳，采集模塊U2的6、7引腳為連接C相前端電路的引腳；

電力載波接口模塊采用HLPLCS520F芯片：電力載波接口模塊U3的2、3引腳分別與主控模塊U1的27、26引腳相連接，電力載波接口模塊U3的4腳連接有R17、C16組成的復(fù)位電路，電力載波接口模塊U3的5、6腳接C17、C18、Y組成的時(shí)鐘電路，電力載波接口模塊U3的7、8引腳連接C19組成濾波電路，發(fā)光二極管LED3和LED4以及限流電阻R18、R19組成電路用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)，電力載波接口模塊U3的引腳10連接有發(fā)射功率放大模塊A3、載波信號(hào)耦合模塊A2、接收濾波放大模塊A4和過零檢測(cè)模塊A1，其中U3連接的發(fā)射功率放大模塊連接有R23、C21、C22、D9、R20、R21、R22和L6，C20與接收濾波放大模塊的R24連接，接收濾波放大模塊連接有R24、C23、C24、C25、L7、L8、C26、C27組成濾波電路、R25、R26、R33、R34、Q2、C28、R27、R28、R35、R36、Q3、C29、R31、R29、R30、Q4、R32組成三級(jí)放大電路，載波信號(hào)耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測(cè)模塊連接有上拉電阻R37、濾波電容C30、光電耦合器OPTOISO1、R38和整流橋MB6S；

存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲(chǔ)模塊連接有時(shí)鐘芯片DS1307和24C1024，其中24C1024為2線串行EEPROM，其引腳1與主控芯片U1的引腳25連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時(shí)鐘線，同時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時(shí)鐘線，存儲(chǔ)模塊還連接有上拉電阻R39、R40。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一個(gè)采用現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸且結(jié)合電能計(jì)量和供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)的終端，具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能，適用范圍廣、成本低、性能穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型主控模塊電路原理；

圖2是本實(shí)用新型采集模塊電路原理圖；

圖3是本實(shí)用新型電力載波接口模塊電路原理圖；

圖4是本實(shí)用新型存儲(chǔ)模塊電路原理圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型是由主控模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電力載波接口模塊組成；

主控模塊電路采用STM32F103RBT6芯片：主控模塊U1的28腳、29腳和30腳連接有開關(guān)S1、電容C1、電阻R1組成的復(fù)位電路，電源BT1、二極管D1、D2、晶振JZ1組成掉電保護(hù)電路；主控模塊U1的1～5腳連接有電阻R2、晶振JZ2、振蕩電容C2、C3組成的振蕩電路，濾波電容C4、C5、電感L1組成的濾波電路，主控模塊U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，主控模塊U1的21、22引腳與C7相連接組成去耦電路，主控模塊U1的19、20引腳與C8相連接組成去耦電路，主控模塊U1的17、18引腳與C9相連接組成去耦電路；主控模塊U1的26、27腳接發(fā)光二極管LED1和LED2以及限流電阻R3、R4組成用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)電路；

采集模塊電路采用ADE7880芯片：采集模塊U2的9、10、11、12、13、14、15、16引腳通過SPI總線與U1的8、9、10、11、12、13、14、15引腳相連接，采集模塊U2的17、18引腳與電壓采集電路P1的VN、VCP相連接，電壓采集電路P1包括分壓電阻R6、R7、R8、R10，壓敏電阻R9和由C10、C11、C12組成的濾波電路，采集模塊U2的1、2引腳與電流采集電路P2的IAP、IAN相連接，電流采集電路包括D3、D4、D5、D6組成的保護(hù)電路和穩(wěn)壓二極管D5以及R10、R12、C13、C14、C15組成的濾波電路，采集模塊U2的4、5引腳為連接B相前端電路的引腳，采集模塊U2的6、7引腳為連接C相前端電路的引腳；

電力載波接口模塊采用HLPLCS520F芯片：電力載波接口模塊U3的2、3引腳分別與主控模塊U1的27、26引腳相連接，電力載波接口模塊U3的4腳連接有R17、C16組成的復(fù)位電路，電力載波接口模塊U3的5、6腳接C17、C18、Y組成的時(shí)鐘電路，電力載波接口模塊U3的7、8引腳連接C19組成濾波電路，發(fā)光二極管LED3和LED4以及限流電阻R18、R19組成電路用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)，電力載波接口模塊U3的引腳10連接有發(fā)射功率放大模塊A3、載波信號(hào)耦合模塊A2、接收濾波放大模塊A4和過零檢測(cè)模塊A1，其中U3連接的發(fā)射功率放大模塊連接有R23、C21、C22、D9、R20、R21、R22和L6，C20與接收濾波放大模塊的R24連接，接收濾波放大模塊連接有R24、C23、C24、C25、L7、L8、C26、C27組成濾波電路、R25、R26、R33、R34、Q2、C28、R27、R28、R35、R36、Q3、C29、R31、R29、R30、Q4、R32組成三級(jí)放大電路，載波信號(hào)耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測(cè)模塊連接有上拉電阻R37、濾波電容C30、光電耦合器OPTOISO1、R38和整流橋MB6S；

存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲(chǔ)模塊連接有時(shí)鐘芯片DS1307和24C1024，其中24C1024為2線串行EEPROM，其引腳1與主控芯片U1的引腳25連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時(shí)鐘線，同時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時(shí)鐘線，存儲(chǔ)模塊還連接有上拉電阻R39、R40。

電源模塊為其它單元提供所需的電源，在不影響用電設(shè)備正常工作的前提下，選用內(nèi)置AC~DC 5V電源轉(zhuǎn)換模塊，由A相取電，因此要在確保A相有電的情況下終端才能正常運(yùn)行，終端部分芯片電源要求為3.3V，所以采用集成DC5V~DC3.3V轉(zhuǎn)換芯片NCP1117，為保證5V電源與3.3V之間互不影響，在NCP1117前加入5V隔離電源模塊IF0505S-W75。

下面對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本實(shí)用新型提供了一種基于電力載波的電能消耗與質(zhì)量監(jiān)控終端，采用計(jì)量芯片ADE7880進(jìn)行電能計(jì)量和供電質(zhì)量參數(shù)采集，并通過低功耗微處理器STM32F103RBT6處理，提供電力載波傳輸接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)，最終有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電能消耗和質(zhì)量的監(jiān)控。

本實(shí)用新型由主控模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電力載波接口模塊和電源模塊組成，主控模塊包括復(fù)位電路、掉電保護(hù)電路、振蕩電路、濾波電路、去耦電路以及串口收發(fā)指示電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端其它模塊的管理與控制，采集模塊包括電壓采集和電流采集電路，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B、C三相電壓和電流的采集，電力載波接口模塊主要包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、濾波電路、發(fā)射功率放大電路、載波信號(hào)耦合電路、接收濾波放大電路和過零檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)終端之間通過電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，存儲(chǔ)模塊包括時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)電路，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)本地存儲(chǔ)，電源模塊為其它模塊提供所需的電源，在不影響用電設(shè)備正常工作的前提下，選用內(nèi)置AC~DC 5V電源轉(zhuǎn)換電路和集成DC5V~DC3.3V轉(zhuǎn)換電路以及相應(yīng)的隔離電路。

采集模塊通過電能參數(shù)采集，經(jīng)過濾波電路和信號(hào)調(diào)理電路輸入電能計(jì)量芯片ADE7880，主控模塊通過SPI接口從ADE7880相應(yīng)寄存器獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算處理后將電能消耗和質(zhì)量參數(shù)存入存儲(chǔ)模塊，同時(shí)將參數(shù)通過電力載波接口發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能消耗和質(zhì)量的監(jiān)控。

本實(shí)用新型包括：主控模塊、采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電力載波接口模塊和電源模塊，其中STM32F103RBT6主控芯片主要完成與測(cè)量單元、存儲(chǔ)器單元以及各傳輸接口單元之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和各單元間的協(xié)調(diào)控制，通過采集模塊中計(jì)量芯片ADE7880進(jìn)行電能計(jì)量和供電質(zhì)量參數(shù)采集，并通過主控模塊中的低功耗處理器STM32F103RBT6處理，實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)。

主控模塊主要由U1 STM32F103RBT6 及其外圍電路組成，如圖1所示，主要包括S1、C1、R1組成的復(fù)位電路，當(dāng)S1按鍵按下時(shí)實(shí)現(xiàn)CPU復(fù)位功能；BT1、D1、D2、JZ1組成掉電保護(hù)電路，在系統(tǒng)掉電和低功耗模式下為實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電；R2、JZ2、C2、C3組成的振蕩電路，為CPU提供時(shí)鐘；C4、C5、L1組成的濾波電路，對(duì)芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器的供電進(jìn)行去耦合和濾波；U1的6、7引腳與C6相連接組成去耦電路，U1的21、22引腳與C7相連接組成去耦電路，U1的19、20引腳與C8相連接組成去耦電路，U1的17、18引腳與C8相連接組成去耦電路，主要是為去除電源噪聲，提高CPU的抗干擾能力；R3、R4作為限流電阻，與發(fā)光二極管LED1和LED2組成電路用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)，即有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)LED1 亮，有數(shù)據(jù)接收時(shí)LED2亮，否則都不亮，實(shí)現(xiàn)將主控模塊通過采集模塊收到的處理信息發(fā)送到存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)模塊接收信息并通過相應(yīng)的接口如電力載波、WIFI、以太網(wǎng)等發(fā)出。

采集模塊：采集模塊主要由U2 ADE7880及其外圍電路組成，如圖2所示，U2的9、10、11、12、13、14、15、16引腳通過SPI總線與U1的8、9、10、11、12、13、14、15引腳相連接完成采集模塊與主控模塊的連接，U2的17、18引腳與電壓采集電路的VN、VCP相連接，電壓通過R6、R7、R8和R10進(jìn)行分壓，壓敏電阻R9作用是抑制電路中出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓 的損害，C10、C11、C12組成濾波電路，U2的1、2引腳與電流采集電路的IAP、IAN相連接，電流采集電路包括D3、D4、D5、D6組成的保護(hù)電路和穩(wěn)壓二極管D5以及R10、R12、C13、C14、C15組成的濾波電路，U2的4、5引腳為連接B相前端電路的引腳，U2的6、7引腳為連接C相前端電路的引腳。

電力載波接口模塊：電力載波接口模塊主要由U3 HLPLCS520F芯片及其外圍電路組成，如圖3所示，載波芯片HLPLCS520F是專為電力線載波通訊設(shè)計(jì)的高集成度的FSK調(diào)制與解調(diào)芯片，U3的2、3引腳分別與主控模塊U1的27、26相連接，也就是將電力載波接口電路的串口收發(fā)與主控芯片U1的串口收發(fā)連接起來，電力載波接口電路U3連接有R17、C16，組成上電復(fù)位電路，C17、C18、Y組成的時(shí)鐘電路，為HLPLCS520F提供時(shí)鐘，電力載波接口電路U3的7、8引腳連接C19組成濾波電路，發(fā)光二極管LED3和LED4以及限流電阻R18、R19組成電路用來指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)，電力載波接口電路U3的引腳10連接有發(fā)射功率放大模塊、載波信號(hào)耦合模塊、接收濾波放大模塊和過零檢測(cè)模塊，其中U3連接的發(fā)射功率放大模塊連接有R23、C21、C22、D9、R20、R21、R22和L6，C20與接收濾波放大模塊的R24連接，接收濾波放大模塊連接有R24、C23、C24、C25、L7、L8、C26、C27組成濾波電路、R25、R26、R33、R34、Q2、C28、R27、R28、R35、R36、Q3、C29、R31、R29、R30、Q4、R32組成三級(jí)放大電路，載波信號(hào)耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測(cè)模塊連接有上拉電阻R37、濾波電容C30、光電耦合器OPTOISO1、R38和整流橋MB6S。

存儲(chǔ)模塊主要由時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)電路組成，如圖4所示，存儲(chǔ)模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲(chǔ)模塊連接有時(shí)鐘芯片DS1307和24C1024，其中24C1024為2線串行EEPROM，其引腳1與主控芯片U1的引腳25連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時(shí)鐘線，同時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數(shù)據(jù)線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時(shí)鐘線，存儲(chǔ)模塊還連接有上拉電阻R39、R40，存儲(chǔ)單元完成配置數(shù)據(jù)、電能消耗和質(zhì)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

本實(shí)用新型的工作過程是：

上電后，對(duì)CPU的各內(nèi)部寄存器如時(shí)鐘、串口、中斷等片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化，對(duì)芯片外部端口及片外設(shè)備如ADE7880的初始化工作，然后啟動(dòng)電能采集，電能參數(shù)采集每隔固定的周期（如1s）可設(shè)定啟動(dòng)一次電能參數(shù)采集，三相電壓/電流經(jīng)過濾波電路濾除高次諧波，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路輸入 ADI電能計(jì)量芯片ADE7880，主控通過SPI接口從ADE7880相應(yīng)的寄存器獲取電壓/電流有效值，有功/視在功率，功率因數(shù)以及頻率和諧波等數(shù)據(jù)，然后調(diào)用存儲(chǔ)模塊，并判斷是否有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，則將電能參數(shù)通過電力載波發(fā)出，如沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)更新。

采集模塊程序主要分為兩個(gè)部分，一部分是SPI通信方式設(shè)置，另一部分是ADE7880芯片控制，ADE7880內(nèi)部具有一個(gè)固定功能的數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)電能參數(shù)的采集和計(jì)算功能，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)寄存器中，通過SPI通信方式進(jìn)行讀取，通過對(duì)通信模式（SPI、I2C）和工作模式（四種，通過引腳PM0、PM1進(jìn)行選擇）以及電流、電壓、有功等校正參數(shù)進(jìn)行配置，然后開啟中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后將數(shù)據(jù)傳輸給主控存入暫存。