基于CKS32F407的电压监测仪硬件系统设计

王彬 郭晶

摘  要：采用ASIC（专用电能计量芯片）搭配32位通用MCU方案，以国产微处理器CKS32F407为核心设计一种电压监测仪硬件系统。该文论述该硬件系统的实现方案并进行关键元器件选型与硬件设计，主要包括电源电路、信号采集电路、MCU微控制器核心电路、本地通信接口电路、数据存储电路、实时时钟电路、人机接口电路和远程GPRS通信电路。实验结果表明，该硬件系统设计合理，性能稳定。

关键词：电压监测；ASIC；电能计量；CKS32F407；硬件设计

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0001-05

Abstract： Using ASIC（Application-Specific Integrated Circuit） and 32-bit general MCU scheme， a kind of voltage monitor hardware system is designed with domestic microprocessor CKS32F407 as the core. This paper discusses the implementation scheme of the hardware system and carries out the selection of key components and hardware design， including power supply circuit， signal acquisition circuit， MCU microcontroller core circuit， local communication interface circuit， data storage circuit， real-time clock circuit， man-machine interface circuit and remote GPRS communication circuit. The experimental results show that the design of the hardware system is reasonable and the performance is stable.

Keywords： voltage monitoring; ASIC; electric energy measurement; CKS32F407; hardware design

随着现代工业智能化的高速发展，用电负荷日趋复杂化和多样化，电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和过压欠压等电能质量问题日趋严重。其中任何一个问题都有可能给国家和社会造成巨大的经济损失和安全危害，因此，现代工业对改善电压质量提出了更高的要求[1-2]。在电力系统中，电压监测仪用于对电网电压质量的监测，能够提高电压质量，保持无功平衡、电网稳定。在用户受电端装设电压监测仪，能自动地对监测数据记录、存储，按给定的程序统计出每天或每月的最大电压值、最小电压值以及这些电压值发生的时刻，统计出每天或每月的电压合格率、超上限率与超下限率，极大方便了系统中电压质量的管理与考核[3]。

为了满足对电网电压进行实时测量与监管需求，本文基于国产CKS32F407微控制器设计了一款电压监测仪，对电力系统正常运行状态缓慢变化所引起的电压偏差进行连续的监测和统计，具备监测、分析、记忆、查询和参数设置等功能。统计的各项数据可通过有线传输、无线组网等多种方式汇总到国家电力企业，为电压质量的改善和有关电能质量治理措施和政策的制定提供有力依据。

1  硬件方案设计

1.1  系统方案

电压监测仪作为供电电压自动采集系统的底层关键设备，功能众多，实时性和控制能力要求比较严格。目前主流的几种电压监测仪系统设计方案[4]，见表1。

参考表1中几种方案，综合考虑系统功能要求、性能指标、实时性、稳定性，本文选择采用ASIC专用电能计量芯片和MCU的组合方案，电能计量芯片专门负责电压有效值的测量计算，MCU通过总线访问数据并负责统计、存储、通信和显示等任务的控制与调度。

1.2  核心器件选型

MCU是整个系统的控制核心，既要参与实时计算又要控制存储、通信和显示，同时还要管理众多外设，这就要求MCU必须处理能力强且具有丰富的I/O与外设资源。本文选用中科芯CKS32F407VGT6芯片作为主控单元，主频高达168 MHz，具有1 MB大容量FLASH存储器、192 kB的静态随机存储器SRAM、丰富的外设以及高精度的时钟和定时器，非常符合电压监测仪对硬件资源的设计需求。

ADI公司基于SPI总线的ADE77XX系列一直是目前主流的专用电能计量芯片，常用于和单片机组合实现多功能电参数系统测量方案[5]。本文选用带有串行接口和脉冲输出的高精度三相电能测量集成芯片ADE7754，该芯片内置二阶Sigma-Delta A/D转换器，能够提供三路电压、电流均方根有效值和波形采样数据的采集处理。其模拟前端带有片内相位补偿电路，能够与电压互感器、电流互感器直接相连，在1 000∶1动态能量检测范围内误差小于0.1%[6]，完全符合本系统的测量精度指标。

1.3  系统硬件框图

整个系统包括电压输入预处理电路、基于ADE7754的电压有效值测量单元、FLASH和EEPROM数据存储单元、RTC实时时钟、RS232接口、RS485接口、以太网接口、GPRS模块和人机接口电路等，图1为系统硬件框图。

1.4  MCU资源分配

由于整个系统外设器件较多，在充分考虑到MCU IO口分配以及片上外设资源数量的前提下，本文采取的MCU资源分配方案见表2。

2  硬件设计

2.1  电源和信号前端电路

由整流桥电路、DC-DC稳压电源模块、电压互感器和部分电压保护器件组成，如图2所示。主要负责为系统提供供电电源，采集电网中的交流电压并经过电压互感器转换成小信号供后级采样，同时提供锂电池供电接口，在突发停电时继续向系统供电。

辅助交流电源首先经初级滤波和线圈隔离，通过整流桥电路后经DC-DC模块输出5 V电压，再经过扼流圈将电源中的高频成分和共模信号加以抑制，最终为系统提供5 V电源。由于待测电压无法直接提供给ADE7754的端口，因此需要将其转换成芯片上输入范围内的小电压信号。以A相标称电压220 V待测电压为例，经过串联的220 kΩ高精度限流电阻转换成±1 mA的电流给互感器，起隔离作用的互感器以1∶1等比输出±1 mA电流，传递给核心板上的ADE7754预处理电路。

2.2  信号预处理和采集电路

电压有效值测量采用1片ADE7754监测3路电压的方式，电源板传递进来的小电流信号，经前端精密电阻采样，成为mV级电压小信号，并通过RC低通滤波电路滤除高频噪声后输入到ADE7754中，从而与电源板的电路共同实现了高电压到低电压的隔离与高精度转换测量。ADE7754的任务在于电压有效值计算，内置于芯片的数字信号处理器（DSP）有效值计算程序存储在ROM中。CKS32F407通过SPI1总线读取计算结果，电路如图3所示。

为了提高系统效率，ADE7754采用中断方式通知CKS32F407读取电压有效值。ADE7754在工作时将不断拉低IRQ中断控制线，触发微处理器读取ADE7754寄存器中数值。为了解决AD芯片管脚的5 V电压不能直接输入到MCU管脚问题，硬件上本文使用74HC07缓冲器芯片将ADE7754管脚信号电平转换成3.3 V，再与MCU相连。

2.3  数据存储电路

电压监测仪需要存储电压分钟数据、日数据、月数据、事件数据以及为软件升级预留新代码空间，本文选择W25X32系列FLASH芯片作为外部存储器。W25X32支持标准的四线制SPI接口，能够支持10万次擦写，与普通串行FLASH相比，芯片控制更灵活。本文使用CKS32F407片上SPI0总线控制FLASH读写，如图4所示。其中WP为写保护引脚，通过MCU的I/O控制，用于保护状态寄存器不被意外改写。

2.4  本地通信电路

系统采用RS232作为维护端口，RS485作为本地通信口，并配备以太网接口与主站进行数据传输。其中RS232串行通信接口作为必备的维护通信口，可以接受PC端的参数设置、状态查询和数据请求。本文使用MAX3232芯片来实现RS232电平转换，MAX3232采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0 V至5.5 V电源供电时能够实现真正的RS232性能。系统还使用了MCU一个I/O管脚识别RS232物理接头是否正确连接，并根据结果控制相关串口程序的运行。

RS485电平转换采用TI公司SN65HVD12D收发器芯片，3.3 V工作电源，具有-7～+12 V的共模输入电压范围。由于半双工工作方式在某一个时刻只能进行发送数据或接收数据，因此需要使用一个I/O口控制RS485的读写切换。由于电压监测仪所在的工作环境可能非常恶劣，本文还对RS485通信接口增加了抗干扰措施，收发数据和读写控制信号均通过ADUM1201芯片隔离后才进行电平转换，电路如图5所示。

由于CKS32F407内部以太网控制器集成了以太网媒体接入控制器（MAC），实现以太网接口电路时只需外部增加一个物理接口收发器（PHY）即可。本文选用DM9161EP以太网物理层收发器芯片，完全符合IEEE-802.3和IEEE-802.3u规范，支持100 Mbit/s以太网标准，可以通过可变电压的MII或RMII总线接口连接到MAC层[7]。CKS32F407通过标准的RMII硬件接口与DM9161EP相连进行数据交互操作，可以节约芯片引脚资源，外置50 MHz高精度晶体振荡器为CKS32F407 MAC及DM9161EP提供同步时钟。

2.5  人机接口电路

人机接口模块主要由LCD液晶显示屏、键盘和LED指示灯组成。液晶显示屏采用拓普微公司LM160160A系列电力产品专用图形点阵液晶模块，单电源供电，符合国网技术标准。CKS32F407采用并口连接方式控制液晶显示，通过I/O口控制背光和电源。液晶板上集成由了5个机械按键组成的小键盘，分别用于界面内容的确认与返回、左移、右移、上翻页、下翻页。

2.6  实时时钟电路

实时时钟对电压有效值的统计与系统运行关系密切，因此电压监测仪的技术指标中对时钟的精度有明确的规定。考虑到晶振往往因温度湿度等环境变化而存在一定的误差，本文选用了美国MICROCHIP公司一款带数字校准功能的低功耗实时时钟芯片MCP7940N。外部使用32.768 kHz晶振，通过I2C总线读写，电路如图6所示。SP690是一款低功耗微处理器监控与电池切换芯片。它配合板上3 V扣式电池，在系统掉电时自动从VCC切换到后备电源，保证掉电期间实时时钟芯片继续进行时间的计数。

2.7  GPRS通信模块电路

本系统选用国内SIMCOM公司的SIM800E模块来实现电压监测仪的GPRS通信，SIM800E是一款纯数据的双频GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议，可以低功耗地实现短消息、数据和传真信息的传输。在应用上，SIM800E模块提供一个全功能串口和一个调试口，可直接与MCU的UART控制器互连，使用AT命令控制，硬件设计简单，电路如图7所示。通信串口引脚TXD和RXD连接到UART1接口，SIMDATA数据引脚、SIMCLK时钟引脚、SIMRST复位引脚通过限流电阻后与SIM卡对应的管脚相连。通过拉低POWERKEY引脚1 s以上然后释放使模块开机，发光二极管为状态指示灯，工作时常亮，关机时熄灭。

3  PCB设计

印制电路板设计是电路实现过程中的关键环节，PCB设计的好坏、准确度直接影响到最终系统的功能与性能。本文在系统PCB设计时主要从以下角度考虑。

电路板划分：考虑到装置结构，同时为了避免高低压器件混杂，降低电磁干扰，本系统将整个硬件设计分成3块PCB，即电源板、核心板和液晶板。

电路板结构：电源板、液晶板均采用2层结构。核心板元器件较多，布线难度较大，存在多种电源和地信号，因此采用4层结构并做内电层分割，核心板分层结构见表3。

抗干扰：根据整个系统的最大电流，加粗电源线的宽度，在每个芯片的电源和地之间都设置去耦电容，顶层和底层的走线尽量相互垂直，避免直角和锐角。

4  测试与验证

在完成电压监测仪的硬件设计后，结合软件对其进行了精度测试。在电压监测仪通电状态下，同步调节被监测电源及工作电源，记录在电压额定值、120%额定值、80%额定值条件下的测量数据，计算相对误差，如果在±0.5%范围以内，表示符合标准。测试结果见表4。

5  结论

本文结合电网电压监测的功能需求和性能需求，设计了一种基于CKS32F407微控制器的电压监测仪硬件系统，阐述了各个模块电路设计思路和设计方法，详细分析了重点电路的原理，最后介绍了印制电路板PCB设计。经测试，该监测仪可对三相电压进行高精度实时测量，并将数据存储本地与上传，性能稳定，操作便捷，适用于各种电力系统的电压监测应用，具有较强的工程意义和实用价值。

参考文献：

[1] 徐永海，肖湘宁.电力市场环境下的电能质量问题[J].电网技术，2004，28（22）：48-52.

[2] 赵逸众，肖湘宁，姜旭.现代电能质量监测技术的发展动态[J].电气技术，2006（1）：13-17.

[3] 王莆，杨子力，尹定座，等. 浅谈电压监测仪在电网运行中的应用及其周期检测[J].电力设备管理，2018（10）：42-43，64.

[4] 郭晶.新型电压监测仪的设计[D].苏州：苏州大学，2015.

[5] 王成多，李月军，王青青.基于SPI总线和ADE77xx专用芯片的三相多功能电度表的原理与应用[C]//自动化仪表论文集. 2007：700-704.

[6] 孙文宝.ADE7754在低压配电检测装置中的应用[J].电气传动自动化，2008，30（5）：47-50.

[7] DAVICOM Semiconductor Inc.DM9161 10/100 Mbps Fast Ethernet Physical Layer Single Chip Transceiver[Z].