【基于KW41Z的智能电力监测仪的设计】第四贴：硬件设计篇

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【基于KW41Z的智能电力监测仪的设计】第四贴：硬件设计篇 [复制链接]

1.背景介绍

本项目的目的是实现对电力网络的监测，包括电压、电流以及三相不平衡度等参数。目前，已有的测量一般是被动式的，尤其是在用户末端的电力测量，通常是通过电表进行监测，而电表的智能化程度通常不高。而另一方面，在能源互联网的背景下，新能源发电网络不断接入，对于现有电力网络的监测提出了更好的要求，需要提高电力监测的灵活性。电力节点之间物理性互联需要通过电力监测等信息级互联来协助，从而实现能源互联网这一概念。

一般来说，在未来的能源互联网中，能源调度与分配设备需要对电压、电流以及功率等指标进行监测，从而依据这些信息来管理整个能源子单元。电电力监测仪实质上是将原有电表的功能进行升级和改造，加上信息实时传送的功能，以适应能源互联网建设的需要。

而现有的大部分微处理器，虽然都能外扩无线通信组件，但往往不能兼顾低功耗、以及多种通信灵活切换的特性，更不具备BLE和Wi-Fi(Thread)双工模式的通信功能。而能源互联网对于电力测量仪的要求，使得电力测量仪需要工作在不同的情形下：各个电力节点组成测量网络，通过边界路由器将信息传输至信息网，而每个节点由可通过近距离通信（如BLE）等，方便对单个节点的维修和调试。因此NXP推出的这的KW41Z微处理器，可实现BLE与Thread联合通信，具有极强的现实意义。

2.设计思路

采用专用的电能计量芯片进行具体测量，再加上常用的无线通信技术进行通信，以及采用低功耗微处理器作为控制中枢。为了设计方便，采用测量部分与MCU部分分离的设计理念，测量部分PCB需要单独设计，MCU则采用KW41Z Freedom development board 开发套件。

由于本文对于KW41Z的编程不甚熟悉，因此，为了验证硬件是否能够正常工作，特将测量芯片的接口保留出来，同时，选取了一个本人熟悉的微处理器，一方面作为冗余处理器，来验证监测仪的可行性，另一方面，通过引入对比，来进一步证明KW41Z在电力测量通信领域相对于其它类型的微处理器，具有非常大的优势。

3. 控制器部分设计规划

微处理器：采用NXP的KW41Z，预计将使用UART串口，BLE通信、Thread通信，以及按键若干。

LCD显示器：

客户端（控制app）：采用NXP官方开发的KinetisBLE Toolbox进行前期验证。

4.电能测量原理介绍

      为了让大家更好的理解电力测量的基础知识，我总结了相关的知识点：包括电压、电流以及三相不平衡度测量，可供大家了解，这部分内容参考了ADE7758的数据手册以及相关专业论文，由于公式上传的不变，这部分内容详见附件PDF1。

    在本项目的设计中，如果直接按照上述的测量原理进行测量，部分参数的计算量较大，实现起来不易。因此，这里将采用专用电能计量芯片，专用的电能计量芯片已将上述一些测量公式固化在芯片内部，测得的结果比较准确，测量起来也更为简便。
综合成本、测试精度以及芯片功能等因素，项目设计当中将采用亚德诺半导体（ADI）公司生产的专用电能计量芯片ADE7758进行相关电能参数的测量。
     ADE7758是一款高精度的电能计量芯片，其内部模块组成如图4.1所示，它支持多种IEC（国际电工委员会）标准，可以测量电源有功、无功、视在电能、电压电流均方根等，并可采集波形数据，可进行单相、三相三线、三相四线供电系统等的有关参数测量。

5.电力监测仪具体设计

5.1 电源部分设计原理图

5.2 测量接口

5.3 测量模块

整体原理图可见附件PDF2；

6.硬件功能测试图

7.总结

      通过设计验证了本次电力测量仪硬件部分设计的合理性，下一步将进行KW41Z与测量模块的通信。同时，在设计的过程中，可以深切的感受到传统单片机在现代测量中的不变，如果完成BLE、wifi联合通信，则需要添加额外的模块，并且预期功耗比较大；而采用KW41Z，可以节省很多模块，且由于将各个通信功能模块有机的结合在一起，使得预期功耗将会大大降低。

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