№6 / 2010 / статья 7

Решения для измерения мощности на основе МК STM

Алексей Пантелейчук (г. Краснодар)

Микросхемы семейства STPMxx построены по архитектуре, изображенной на рисунке 1.

 

Блок-схема STPM01

 

Рис. 1. Блок-схема STPM01

Аналоговая часть включает несколько входных каналов для измерения тока и напряжения, предусилители, дельта-сигма АЦП первого порядка, схему детектирования вмешательства в электросчетчик (с целью хищения электроэнергии), генератор опорного напряжения, регулятор напряжения. В свою очередь, в цифровую часть входит системный модуль, специализированный DSP для вычисления электрических параметров, осциллятор и интерфейс SPI. Управление производится с помощью конфигурирования регистров через SPI.

Микросхемы имеют один дифференциальный вход для измерения напряжения и до двух дифференциальных входов для измерения тока. Вход для напряжения содержит дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления 4. Максимальное дифференциальное напряжение для этого входа ±0,3 В. Два входа для измерения тока мультиплексируются, после чего поступают на предусилитель с коэффициентом усиления 4. После предусилителя идет программируемый усилитель с выбираемым коэффициентом усиления: 2, 4, 6, 8 (для STPM10 только 2 и 8). В результате входной сигнал усиливается в 8,16, 24 или 32 раза (8 или 32 для STPM10). Коэффициент усиления задается через специальный регистр и может отличаться для двух входов для измерения тока. Если функция обнаружения хищения электроэнергии не используется, один из входов можно отключить.

Во внутренних регистрах STPMxx доступна очень важная информация для систем измерения потребления электроэнергии, а именно — два значения активной мощности: общая активная мощность, вычисленная с учетом всех гармоник (до пятидесятой), и активная мощность первой гармоники. Вторая получается из первой путем фильтрации. Оба значения активной, а также реактивная и полная мощности имеют разрешение 20 бит.

STPM01 и STPM10, помимо мощности, измеряют среднеквадратические значения напряжения и тока сети. Вследствие динамического изменения напряжения, действительные значения его измеряются с разрешением 11 бит, в то время как действительные значения тока — с разрешением 16 бит. Мгновенные значения напряжения и тока также доступны с разрешением 11 и 16 бит, соответственно. Частота сети измеряется с точностью 14 бит.

Измеренные значения активной мощности преобразуются в последовательности импульсов с частотой, пропорциональной измеренному значению. Этот импульсный сигнал используется при калибровке электросчетчика. Благодаря специальному алгоритму вычисления электрических характеристик, калибровка STPM01 выполняется очень просто и быстро, и только для одного значения тока во всем диапазоне. Калибровочные параметры навсегда сохраняются в однократно программируемой памяти, что препятствует их изменению.

Микросхемы STPMxx выпускаются в корпусах TSSOP20, работают в температурном диапазоне от -40 до 85°С, соответствуют спецификациям IEC62052-11, IEC62053-2X и отличаются друг от друга числом входных каналов, поддерживаемыми датчиками тока и количеством измеряемых электрических характеристик (таблица 1).

Таблица 1. Основные отличия микросхем STPMxx  

Устройство Измеряемые
величины
Поддерживаемые
датчики
Входные
каналы (V+I)
STPM01 P, Q, S, Irms, Vrms, V, I Токовый трансформатор, шунт, катушка Роговского 1 + 2
STPM10 P, Q, S, Irms, Vrms, V, I Токовый трансформатор, шунт 1 + 2
STPM11, STPM12 P Токовый трансформатор, шунт, катушка Роговского 1 + 1
STPM13, STPM14 P Токовый трансформатор, шунт, катушка Роговского 1 + 2

Микросхема STPM01 способна работать в автономном режиме, самостоятельно измеряя электрические характеристики, управляя шаговым приводом через специально предназначенные для этого выводы и передавая по интерфейсу SPI информацию о вмешательстве в схему. Но чаще всего микросхемы STPMxx используются в сочетании с микроконтроллером для реализации однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии. Как известно, компания STMicroelectronics имеет множество развитых семейств микроконтроллеров для различных применений. Среди них есть микроконтроллеры, которые как нельзя лучше подходят для совместной работы с STPMxx в электросчетчиках. Это 8-битные микроконтроллеры STM8 для бюджетных решений c низким энергопотреблением и STM32 для производительных функциональных устройств. Для начала рассмотрим пример построения однофазного счетчика на базе STM8L152 и STPM10 (рисунок 2).

 

Однофазный электросчетчик на базе STM8L152 и STPM10

 

Рис. 2. Однофазный электросчетчик на базе STM8L152 и STPM10

Особенности микроконтроллера STM8L152:

  • Производительность 16 МГц;
  • Пять режимов энергопотребления;
  • 1 мкА с RTC и сохранения данных ОЗУ;
  • Переход в активный режим за 5 мкс;
  • Аналоговая часть (АЦП, ЦАП, компараторы) работающая на 1,8 В;
  • Развитые функции безопасности;
  • Контроллер прямого доступа к памяти.

Особенности микросхемы STPM10:

  • Измерение активной, реактивной и полной мощности, действующих значений тока и напряжения, частоты;
  • Поддержка токовых трансформаторов и шунтов;
  • Точность измерений 0,1;
  • Обнаружение хищения электроэнергии;
  • Соответствие IEC61036, EN62056-31, ANSI C12.1.

В рассматриваемом примере STPM10 с высокой точностью измеряет ток, напряжение и мощность однофазной сети. В качестве датчика используется токовый трансформатор. Измеренные значения передаются по интерфейсу SPI в 8-битный микроконтроллер STM8L152, который, в зависимости от требований решаемой задачи, сохраняет эти данные в памяти, отображает на индикаторе и/или передает их другим устройствам. 8-битные STM8L совместимы с 32-битными микроконтроллерами STM32L. Это означает, что при необходимости данное решение легко масштабировать (увеличить производительность, объем памяти, число коммуникационных интерфейсов и т.д.). Благодаря использованию двух токовых трансформаторов (STPM10 имеет два входа для измерения тока) и наличию встроенной схемы детектирования вмешательства, производится определение факта хищения электроэнергии. Если в приложении требуется измерять только мощность, STPM10 можно заменить на STPM11/12 (без детектирования хищения электроэнергии) или на STPM13/14.

Такое решение отличается низким энергопотреблением, высокой точностью измерений, надежностью передачи и хранения данных, а главное, низкой стоимостью. Кроме этого, компанией STMicroelectronics разработана оценочная плата (рисунок 3) для демонстрации работы решения на базе STM8L152 и STPM10. Все схемы аппаратной части и коды программ приложения доступны для разработчиков, что дает возможность снизить цену электросчетчика не только за счет компонентов, но также — трудозатрат и времени разработки.

 

Оценочная плата для электросчетчика STM8L152 + STPM10

 

Рис. 3. Оценочная плата для электросчетчика STM8L152 + STPM10

Основные характеристики оценочной платы:

  • Измеряемое номинальное напряжение: 240В AC;
  • Измеряемый номинальный ток: 5А (тип.)/30А (макс.);
  • Рабочий диапазон: от 0,6 до 1,2В;
  • Класс точности: 1,0
  • ЖКИ-дисплей: 6 + 1 символов;
  • Разрешающая способность: 0,01кВт/час;
  • Детектирование вмешательств: обратный ток, потеря нейтрали, вскрытие корпуса;
  • Датчик: токовый трансформатор, шунт;
  • Коммуникация: IrDA, оптическая.

Более мощное по производительности и функциональности устройство измерения электрических характеристик можно построить на базе микроконтроллеров STM32 и микросхемы STPM01 (рисунок 4). В отличие от STPM10, ко входу STPM01, помимо токового трансформатора и шунта, можно в качестве датчика тока подключать катушку Роговского (хотя в рассматриваемом примере используется токовый трансформатор).

 

Однофазный электросчетчик на базе STM32F103 и STPM01

 

Рис. 4. Однофазный электросчетчик на базе STM32F103 и STPM01

Особенности микроконтроллера STM32F103:

  • Ядро Cortex-M3, 72МГц;
  • 7 каналов DMA;
  • до 128 КБ FLASH, до 20КБ RAM;
  • 2 АЦП 12-бит (16 каналов), 1мкс;
  • Встроенный RC-осциллятор 8МГц;
  • Встроенный RC-осциллятор 40кГц;
  • До 7 таймеров;
  • USB 2.0, CAN, 2 SPI, 3 USART, 2I2C.

Особенности микросхемы STPM01:

  • Измерение активной, реактивной и полной мощности, действующих значений тока и напряжения, частоты;
  • Поддержка токовых трансформаторов, шунтов, катушек Роговского;
  • Точность измерений 0,1;
  • Обнаружение хищения электроэнергии;
  • Соответствие IEC62052-11, IEC62053-2X.

Решение на базе STPM01 и STM32F103 характеризуется высокой точностью измерений, гибкостью при выборе датчика тока, простотой калибровки, функциональностью, способностью отслеживать вмешательства в электросчетчик с целью хищения электроэнергии, возможностью передачи данных различными способами (USB, CAN, SPI, USART, I2C). На сайте компании-производителя доступно полное описание рассматриваемого примера, схемы реализации аппаратной части, коды программ.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: mcu.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее