电能质量监测记录分析仪硬件设计方案

　　1、STM32F4数字信号控制器简介

　　系统以意法半导体突出的以基于ARMCortexM4为内核的STM32F407ZET6高性能微控制器为核心，其工作频率为168MHz，集成了单周期DSP指令和单精度浮点数运算单元，内置512MB闪存和192KB的SRAM，具有丰富的片上外设，包括本系统中用到的FSMC（可变静态存储控制器）、SDIO接口、USB接口、以太网接口、I2C接口、UART接口和内部时钟等。较市场上同类微处理器具有功能强，价格低，开发使用方便等优势。

　　2、数据采集模块设计

　　前端采样电路如图2和图3所示，电压电流采样选用高精度电压电流互感器，其体积小、精度高、全封闭、隔离耐压能力强。互感器将电压电流转换为小信号后，经二阶低通滤波送至AD芯片进行转换。AD芯片选用高精度16位AD芯片ADS8568SPMR，基准电压2.5V，8通道同步采样，转换速率满足系统对快速采样转换的需求，且信噪比达到91.5dB。

　　

　　图2前端采样电路（一）

　　

　　图3前端采样电路（二）

　　3、存储设计

　　系统存储分为以下四部分：

　　①NANDFLASH选用三星K9F1G08U0D，连接到微控制器FSMC的BANK2，具有128MB大容量存储空间，用于存储图片、系统参数和各种事件，当系统缺失SD卡时也用于电量记录。

　　②SD卡采用微控制器片上SDIO接口实现，用于存储历史电量记录数据，最大可支持4GB容量。

　　③U盘存储通过物理层芯片USB3300-EZK与微控制器片上USB外设实现，用于数据的转存及程序、图库、参数的现场升级。

　　④FRAM铁电存储器FM24C64B，通过I2C总线和微控制器连接，用于存储实时电能数据并为电量记录提供断电记忆功能。

　　4、显示模块设计

　　系统采用3.5in16位色TFT液晶屏作为显示输出，其分辨率为320×240，能够清晰地显示数据和曲线。运用RA8875作为显示驱动芯片，提供低成本的8080并列式微控制器接口，内建768kB显示内存，支持2D的BTE引擎可处理大量图形数据的转换与传送，同时内建几何图形加速引擎，可大量节省使用者软件开发的时间，并提升微控制器软件的执行效率。

　　5、通信模块设计

　　系统采用RS485和以太网两种物理介质组网通信。RS485通信接口采用高速光耦进行隔离，稳定通信波特率最高可达38.4Kbit/s，并通过瞬态抑制二极管对接口做了过电压保护，如图4所示。

　　

　　图4过电压保护电路

　　以太网通信接口采用片上以太网外设通过简化介质独立接口（RMII）和外部快速物理层LAN8720A芯片实现，RJ45接口内部集成了1:1电压比的信号变压器，实现信号的隔离保护，提高通信的抗干扰性能，具体实现原理如图5所示。

　　

　　图5以太网通信接口电路