本實用新型屬于電子技術領域。

背景技術：

當今每個國家的電能消耗逐年增長，而通過能量效率測量和利用節能技術來降低電能消耗成為節能減排的重要途徑。隨著電能消耗和質量監測變得越來越重要，其相應終端設備的研究也成為新的熱點。國內外研究中有的通過電能表采集電能計量參數并提供RS485總線傳輸接口，也有的采用DSP進行電能質量測量單元設計，并將多個單元插入ARM控制底板實現多通道電能質量測量。無論是采用電能表還是其它形式的采集終端，組網（RS485，WIFI或以太網）成本高且不靈活。而采用ARM處理器或DSP處理器價格比較高，不適用于一些工業場合。此外現有終端基本不具有本地存儲功能，當傳輸接口出現問題時無法恢復歷史數據。因此，設計一個采用現有電網傳輸數據且具有本地存儲能力的電能計量和供電質量監測終端對與工業電能消耗監控、分析和管理具有重要意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的是實現本地存儲，最終有效實現對電能消耗和質量監控的基于電力載波的電能消耗與質量監控終端。

本實用新型是由主控模塊、采集模塊、存儲模塊、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S1、電容C1、電阻R1組成的復位電路，電源BT1、二極管D1、D2、晶振JZ1組成掉電保護電路；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腳接發光二極管LED1和LED2以及限流電阻R3、R4組成用來指示串口數據收發電路；

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組成的保護電路和穩壓二極管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組成的復位電路，電力載波接口模塊U3的5、6腳接C17、C18、Y組成的時鐘電路，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據收發，電力載波接口模塊U3的引腳10連接有發射功率放大模塊A3、載波信號耦合模塊A2、接收濾波放大模塊A4和過零檢測模塊A1，其中U3連接的發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組成三級放大電路，載波信號耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測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；

存儲模塊：存儲模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲模塊連接有時鐘芯片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連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時鐘線，同時時鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時鐘線，存儲模塊還連接有上拉電阻R39、R40。

本實用新型設計了一個采用現有電網進行數據傳輸且結合電能計量和供電質量監測的終端，具有監測數據本地存儲功能，適用范圍廣、成本低、性能穩定。

附圖說明

圖1是本實用新型主控模塊電路原理；

圖2是本實用新型采集模塊電路原理圖；

圖3是本實用新型電力載波接口模塊電路原理圖；

圖4是本實用新型存儲模塊電路原理圖。

具體實施方式

本實用新型是由主控模塊、采集模塊、存儲模塊、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S1、電容C1、電阻R1組成的復位電路，電源BT1、二極管D1、D2、晶振JZ1組成掉電保護電路；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腳接發光二極管LED1和LED2以及限流電阻R3、R4組成用來指示串口數據收發電路；

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組成的保護電路和穩壓二極管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組成的復位電路，電力載波接口模塊U3的5、6腳接C17、C18、Y組成的時鐘電路，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據收發，電力載波接口模塊U3的引腳10連接有發射功率放大模塊A3、載波信號耦合模塊A2、接收濾波放大模塊A4和過零檢測模塊A1，其中U3連接的發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組成三級放大電路，載波信號耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測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；

存儲模塊：存儲模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲模塊連接有時鐘芯片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連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時鐘線，同時時鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時鐘線，存儲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，在不影響用電設備正常工作的前提下，選用內置AC~DC 5V電源轉換模塊，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行，終端部分芯片電源要求為3.3V，所以采用集成DC5V~DC3.3V轉換芯片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。

下面對本實用新型做進一步詳細描述：

本實用新型提供了一種基于電力載波的電能消耗與質量監控終端，采用計量芯片ADE7880進行電能計量和供電質量參數采集，并通過低功耗微處理器STM32F103RBT6處理，提供電力載波傳輸接口，同時實現本地存儲，最終有效實現對電能消耗和質量的監控。

本實用新型由主控模塊、采集模塊、存儲模塊、電力載波接口模塊和電源模塊組成，主控模塊包括復位電路、掉電保護電路、振蕩電路、濾波電路、去耦電路以及串口收發指示電路，實現對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，分別實現對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位電路、時鐘電路、濾波電路、發射功率放大電路、載波信號耦合電路、接收濾波放大電路和過零檢測電路，實現終端之間通過電網進行數據傳輸，存儲模塊包括時鐘電路和存儲電路，共同實現對采集數據的實時本地存儲，電源模塊為其它模塊提供所需的電源，在不影響用電設備正常工作的前提下，選用內置AC~DC 5V電源轉換電路和集成DC5V~DC3.3V轉換電路以及相應的隔離電路。

采集模塊通過電能參數采集，經過濾波電路和信號調理電路輸入電能計量芯片ADE7880，主控模塊通過SPI接口從ADE7880相應寄存器獲取相應數據，計算處理后將電能消耗和質量參數存入存儲模塊，同時將參數通過電力載波接口發出，從而實現對電能消耗和質量的監控。

本實用新型包括：主控模塊、采集模塊、存儲模塊、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量單元、存儲器單元以及各傳輸接口單元之間的通信，實現數據處理和各單元間的協調控制，通過采集模塊中計量芯片ADE7880進行電能計量和供電質量參數采集，并通過主控模塊中的低功耗處理器STM32F103RBT6處理，實現本地存儲。

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組成的復位電路，當S1按鍵按下時實現CPU復位功能；BT1、D1、D2、JZ1組成掉電保護電路，在系統掉電和低功耗模式下為實時時鐘供電；R2、JZ2、C2、C3組成的振蕩電路，為CPU提供時鐘；C4、C5、L1組成的濾波電路，對芯片內部AD轉換器的供電進行去耦合和濾波；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，與發光二極管LED1和LED2組成電路用來指示串口數據收發，即有數據發送時LED1 亮，有數據接收時LED2亮，否則都不亮，實現將主控模塊通過采集模塊收到的處理信息發送到存儲模塊，存儲模塊接收信息并通過相應的接口如電力載波、WIFI、以太網等發出。

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進行分壓，壓敏電阻R9作用是抑制電路中出現的異常過電壓，保護電路免受過電壓 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組成的保護電路和穩壓二極管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計的高集成度的FSK調制與解調芯片，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與主控芯片U1的串口收發連接起來，電力載波接口電路U3連接有R17、C16，組成上電復位電路，C17、C18、Y組成的時鐘電路，為HLPLCS520F提供時鐘，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據收發，電力載波接口電路U3的引腳10連接有發射功率放大模塊、載波信號耦合模塊、接收濾波放大模塊和過零檢測模塊，其中U3連接的發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組成三級放大電路，載波信號耦合模塊連接有D11、T1、C31組成的耦合電路，過零檢測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。

存儲模塊主要由時鐘電路和存儲電路組成，如圖4所示，存儲模塊的PA10、PA11引腳分別與主控模塊U1的25、24引腳連接，存儲模塊連接有時鐘芯片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連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24引腳連接作為時鐘線，同時時鐘芯片DS1307的引腳1與U1的25引腳連接作為數據線，引腳2與主控芯片U1的24腳連接作為時鐘線，存儲模塊還連接有上拉電阻R39、R40，存儲單元完成配置數據、電能消耗和質量數據的存儲。

本實用新型的工作過程是：

上電后，對CPU的各內部寄存器如時鐘、串口、中斷等片內外設進行初始化，對芯片外部端口及片外設備如ADE7880的初始化工作，然后啟動電能采集，電能參數采集每隔固定的周期（如1s）可設定啟動一次電能參數采集，三相電壓/電流經過濾波電路濾除高次諧波，再經過信號調理電路輸入 ADI電能計量芯片ADE7880，主控通過SPI接口從ADE7880相應的寄存器獲取電壓/電流有效值，有功/視在功率，功率因數以及頻率和諧波等數據，然后調用存儲模塊，并判斷是否有數據發送請求，如果有數據發送請求，則將電能參數通過電力載波發出，如沒有數據請求則繼續執行數據更新。

采集模塊程序主要分為兩個部分，一部分是SPI通信方式設置，另一部分是ADE7880芯片控制，ADE7880內部具有一個固定功能的數字信號處理器負責電能參數的采集和計算功能，測量數據存儲在片內寄存器中，通過SPI通信方式進行讀取，通過對通信模式（SPI、I2C）和工作模式（四種，通過引腳PM0、PM1進行選擇）以及電流、電壓、有功等校正參數進行配置，然后開啟中斷啟動A/D轉換，轉換完畢后將數據傳輸給主控存入暫存。