基于AM3352MCU的智能電網(wǎng)解決方案開(kāi)發(fā)

　　物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 有望在智能建筑和智能校園環(huán)境中全面應(yīng)用時(shí)節(jié)省大量成本。管理能源將提供最大的節(jié)約之一，因?yàn)楣芾憝h(huán)境控制可以為居民提供最佳舒適度，同時(shí)最大限度地減少能源使用。工廠和工業(yè)綜合體也將受益于更強(qiáng)大和互聯(lián)的基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)。收集和控制所有電力傳輸和消耗點(diǎn)將需要更廣泛地推廣能源測(cè)量和管理設(shè)備。

　　MCU 制造商長(zhǎng)期以來(lái)一直針對(duì)能源測(cè)量和管理應(yīng)用，現(xiàn)代 MCU 具有多項(xiàng)高級(jí)功能，使其在這些應(yīng)用中非常高效。此外，通?？梢允褂脜⒖荚O(shè)計(jì)，為常見(jiàn)的能量測(cè)量、控制和集中器應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)解決方案。本文將探討其中一些參考設(shè)計(jì)，以說(shuō)明它們?nèi)绾物@著簡(jiǎn)化您的下一個(gè)能源測(cè)量和管理設(shè)計(jì)的實(shí)施并加快您的上市時(shí)間。

　　智能電網(wǎng)中的能源管理

　　智能電網(wǎng)是一種新的思考和構(gòu)建能源基礎(chǔ)設(shè)施的方式。它適用于能源的產(chǎn)生、分配和利用的各個(gè)方面。如果這三個(gè)要素都到位并可以運(yùn)行，就可以構(gòu)建一個(gè)更智能、更高效的“智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)將通過(guò)測(cè)量和預(yù)測(cè)所需能源，然后高效地生成和輸送能源來(lái)優(yōu)化能源的產(chǎn)生、輸送和消耗。智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是消費(fèi)者對(duì)能源使用的感知、監(jiān)控和通信。一旦通過(guò)使用大數(shù)據(jù)分析了解并理想地預(yù)測(cè)能源使用，就可以更好地管理發(fā)電和交付。如果可以根據(jù)產(chǎn)生的能源的可用性來(lái)管理消耗，則可以獲得額外的效率。

　　圖 1 說(shuō)明了智能電網(wǎng)的演變。在左側(cè)，之前的能源系統(tǒng)集中在發(fā)電上。智能電網(wǎng)采用更加分布式的發(fā)電方法，使用多個(gè)來(lái)源以及通信和傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)更好地管理能源輸送和利用。整個(gè)智能電網(wǎng)都使用傳感器來(lái)測(cè)量功率。這不僅在每個(gè)使用點(diǎn)實(shí)施，而且在每個(gè)發(fā)電和分配點(diǎn)實(shí)施，因此可以做出實(shí)時(shí)決策，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的效率。

　　圖 1：智能電網(wǎng)演進(jìn)（由STMicroelectronics提供）

　　電能計(jì)量評(píng)估套件

　　智能家居中的電能計(jì)量可以成為智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵元素。電能計(jì)量解決方案通常包括與電能測(cè)量 IC 配合使用的 MCU。圖 2 顯示了典型智能電表的簡(jiǎn)化框圖，該電表利用 STMicroelectronics STM32F 系列 MCU、STPM10 電能計(jì)量 IC和幾個(gè)支持組件來(lái)提供電力線調(diào)制解調(diào)器 （PLM） 通信、額外的內(nèi)存、安全性和電源。STPM10 在單相或多相計(jì)量系統(tǒng)中使用電流互感器和分流傳感器測(cè)量電力線系統(tǒng)中的有功、無(wú)功和視在電能。

　　圖 2：智能家居中的電能計(jì)量。（意法半導(dǎo)體提供）

　　STPM10 的模擬部分包括前置放大器和一階 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器、帶隙電壓基準(zhǔn)和低壓降穩(wěn)壓器。數(shù)字部分包括系統(tǒng)控制、振蕩器、配置和校準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器、DSP 和 SPI 接口。從模擬部分產(chǎn)生的一對(duì) sigma-delta 輸出信號(hào)中，DSP 單元計(jì)算消耗的有功、無(wú)功和視在電能的數(shù)量，以及 RMS 和瞬時(shí)電壓和電流值。計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)備數(shù)字輸出的脈沖頻率和狀態(tài)，或作為數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)位提供，可通過(guò) SPI 接口從設(shè)備中讀取。STEVAL-IPE15V1 評(píng)估套件可用于簡(jiǎn)化原型開(kāi)發(fā)。

　　電能計(jì)量和通信參考設(shè)計(jì)

　　上述評(píng)估套件通過(guò)快速將工作硬件放在您的指尖來(lái)幫助加快您的開(kāi)發(fā)周期。當(dāng)提供包含圖形用戶(hù)界面 （GUI） 的軟件工具來(lái)觀察目標(biāo)評(píng)估套件或參考設(shè)計(jì)的操作時(shí)，可以進(jìn)一步加快開(kāi)發(fā)過(guò)程。例如，Cirrus Logic CDB5480U-Z參考設(shè)計(jì)平臺(tái)包括一個(gè)目標(biāo)板和一個(gè)與該板通信以配置和觀察操作的相關(guān) GUI。圖 3 顯示左側(cè)的目標(biāo)板和來(lái)自 GUI 的示例輸出，其中顯示了收集數(shù)據(jù)的直方圖。平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差、最大值和最小值顯示在窗口左側(cè)。功能齊全的目標(biāo)板與高級(jí)配置和測(cè)量工具與易于使用的 GUI 相結(jié)合，可以特別有效地加快您的開(kāi)發(fā)周期。

　　圖 3：參考設(shè)計(jì)板和用戶(hù)界面顯示（Cirrus Logic 提供）

　　MCU 制造商還為智能電網(wǎng)的通信部分提供參考設(shè)計(jì)。電力線通信是在智能電網(wǎng)中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的一種流行方法，MCU 通常用作這些類(lèi)型系統(tǒng)的中央控制元件。一些 MCU 已針對(duì)這些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并為智能電網(wǎng)實(shí)施提供了廣泛的通信功能。圖 4 顯示了德州儀器 TMDSICE3359工業(yè)通信引擎參考設(shè)計(jì)的框圖以及使用通信優(yōu)化的 TI AM335x 處理器。請(qǐng)注意支持的廣泛通信接口集，包括雙以太網(wǎng)、USB、CAN/PROFIBUS、I 2 C、SPI 和 UART。

　　圖 4：德州儀器智能電網(wǎng)通信參考設(shè)計(jì)框圖（德州儀器提供）

　　TI 的AM3352MCU 功能強(qiáng)大，足以實(shí)現(xiàn)廣泛的智能算法，用于感應(yīng)和控制照明、HVAC、標(biāo)牌、占用、材料運(yùn)輸和過(guò)程控制的能源使用。TI TMDSICE3359 參考設(shè)計(jì)包含在 SYS/BIOS 工業(yè) SDK 中收集的大量代碼。該 SDK 包括開(kāi)源 RTOS、引導(dǎo)加載程序、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、用于 EtherCAT 從站堆棧、PROFIBUS 從站堆棧、EtherNet/IP 適配器/從站堆棧、Profinet IO 設(shè)備堆棧的工業(yè)通信協(xié)議堆棧評(píng)估版，以及示例演示通過(guò)各種工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行工業(yè)輸入/輸出數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序。通過(guò)消除從頭開(kāi)始創(chuàng)建這些復(fù)雜功能的需要，包含這些關(guān)鍵功能大大加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　總之，要使智能電網(wǎng)“智能”，就需要對(duì)電網(wǎng)的每個(gè)關(guān)鍵要素（發(fā)電、配電和消費(fèi)）進(jìn)行控制和計(jì)量。通過(guò)使用基于 MCU 的電力測(cè)量系統(tǒng)，電網(wǎng)可以收集提高系統(tǒng)效率所需的大量數(shù)據(jù)，而基于 MCU 的通信系統(tǒng)可以在智能電網(wǎng)內(nèi)發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)。正如我們所展示的，評(píng)估套件和參考設(shè)計(jì)隨時(shí)可用，可幫助您加快這些智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)解決方案的開(kāi)發(fā)。