基于NB-IoT以及ADE9078的智能数字远传三相电表设计

张银建，田亚南

(重庆川仪软件有限公司，重庆 401121)

0 引言

物联网、大数据以及人工智能已成为第四次科技信息革命的重要标志性技术。在全球经济大变革的背景下，这些新技术给行业和企业带来的不是小修小补式的创新，而是从深层次上革新产业的生产经营方式，重塑商业模式，改变人们的生活方式，构建生态和谐的新纪元，引领全球经济向一个新的阶段发展。窄带物联网(narrow band internet of things,NB-IoT)技术作为物联网技术中非常重要的组成部分，以其可以容纳海量节点、覆盖范围广、具有比GPRS更高效的网络支持，在众多技术中脱颖而出，应用广泛。本项目研究的智能远传高精度三相多功能电能表，也是万物联网中重要的一环。高精度三相多功能工业电能表一直都是我国电能表行业的重要研究课题之一。该类型的电能表可以广泛应用于电能的高精度计量和工业自动化系统对电量的检测，如检测电流、电压、频率、有功功率、无功功率、视在功率等。在物联网技术的背景下，研究一款基于物联网远传技术的高精度三相多功能电能表，也将为工业物联网提供重要的技术产品支撑[1-4]。

1 整体方案设计

整体系统框图如图1所示。

图1 整体系统框图

一台完整的基于NB-IoT技术的智能高精度数字远传电表，主要由电源、单片机主控、数字显示、电能采集以及NB-IoT无线远传通信等部分组成。

该系统主要由电源、Stm32控制系统、ADE9078电能计量、无线通信、按键控制以及数字显示几部分组成。Stm32单片机作为主流单片机，已应用于各行各业之中，是一款相当成熟的单片机产品。本文只是对其最小系统进行简单介绍。

本文主要研究ADE9078以及NB-IoT部分相关硬件设计。

2 方案实现

2.1 Stm32最小系统电路

Stm32最小系统电路如图2所示。

图2 Stm32最小系统电路

Stm32F103C8T6最小单片机系统主要由电源、复位电路、程序下载电路、晶振电路等部分组成。

系统采用8 MB外部高速晶振作为时钟源，采用SWD接口，减少PCB板面开支。简单的上电复位电路，boot0和boot1引脚拉低，程序默认从闪存启动，也是单片机的正常工作模式。单片机数字地和模拟地通过电感与电容组成简单的隔离电路，保证单片机工作的稳定性[5]。

2.2 ADE9078应用设计

ADE9078是一种高精度、全集成式电能计量器件。 ADE9078 可同时与电流互感器和罗氏线圈传感器对接，让用户能够开发一个三相计量平台，实现 Class 1～Class 0.2 量表所需的高性能。 ADE9078 集成了七个高性能 ADC 和一个灵活的 DSP 内核。 一个集成式高端基准保证了低温度漂移，拥有小于±25×10-6℃的每通道最大组合漂移，每个通道均包括一个可编程增益放大器和ADC。相较于上一代产品,ADE7758在产品性能以及可靠性上都有很大提高，而且价格也相对便宜[6-7]。

ADE9078应用设计电路主要有电流采样电路、电压采样电路、时钟电路，以及与单片机通信接口的数字隔离电路等部分组成。电流与电压采样电路如图3所示。

电流采样电路选用电流互感器CT131，变化比为2 000∶1，精度0.2级，电路中R1A阻值根据电流互感器最大电流值以及变化比，代入芯片手册采样电路部分计算公式中计算而得。如选用不同型号的电路互感器，则需重新计算。E1A和C1A用于滤除采样电路中的高频干扰。电流采样电路其他三路电路跟此电路相同，ADE9078同时采样A、B、C、N四条线路的电流值，以提高电能计算精度和可靠性。

电压采样电路通过简单的电阻分压，按900∶1的比例对电压进行分压供ADE9078进行采样计算。三相电压采样电路图相同。ADE9078以及数字隔离电路如图4所示。

图4 ADE9078以及数字隔离电路

为保证ADE9078采样系统的准确性，ADE9078模拟电源供电与单片机数字电源完全隔离，隔离芯片采用Nsi81系列数字隔离芯片。与传统的光耦隔离解决方案相比，数字隔离芯片可以实现整体成本更低，尺寸更小、性能更高、功耗更低，而且产品更加可靠。根据不同的设计以及应用需求，可以设置AD9078的工作模式，以达到产品省电和延长电池供电产品使用寿命时间的目的。因电表设计供电采用时点工作模式，可以不用担心电池供电使用寿命问题，所以将PM0和PM1引脚拉低，设置ADE9078为正常工作模式。

2.3 NB-IOT模组M112应用设计

M112模组是一款三频段 NB-IoT 物联网无线通信模组，支持工作频段为Band3、Band5 及 Band8。该模组支持全网通网路，在应用时可以根据产品安装地点信号强度选择相应的运营商，主要应用于低功耗的数据传输业务，满足 3GPP Release 13标准。M112模组一共有94个管脚，具有(23.6±0.15)mm × (19.9±0.15)mm × (2.2±0.2)mm 的超小尺寸，几乎能够满足所有的 M2M 的需求[8-9]。

M112应用电路设计主要包括串口通信、电源电路、USIM卡电路以及复位电路，天线接口电路等部分。USIM接口的Vpp管脚没有使用时，连接100 nF电容到地，可以有效降低干扰导致的掉卡现象。USIM 接口为避免瞬间电压过载，需在信号线通路上各串联一个电阻。在接口线上，建议选择 ONSEMI 公司的SMF15C器来进行ESD防护，外围电路器件应该靠近卡座放置。SIM卡座靠近模块布局，卡座地和模块地要保持良好的连通性。

M112电源VBAT电压输入范围为3.4～4.2 V。模块通过VBAT这两个引脚给内部的射频和基带电路供电。 在确保 VBAT 电源供电足够的前提下，在靠近电源输入处可并联1个100 μF钽电容，再并联10 pF、33pF、0.1 μF、1 μF陶瓷电容。 VBAT的 PCB 走线尽量短且粗。为了防止浪涌以及过压对模块的损坏，在模块VBAT引脚并联一个5.1 V/500 mW的齐纳二极管。

该模组I/O端口电平一般为2.8 V，在通过串口与单片机通信时需要进行电平转换，M112正常开机后，第26脚也就是VDD_EXT引脚输出2.8 V。电流负载最大50 mA，用来给电平转换芯片TXB0104供电。转换芯片另一侧供电VBAT 3.3 V，用于串口电平转换后与STM32单片机通信。

M112 NB-IOT模块的 53 脚为主天线接口。为满足天线调试需要，在主板上增加π型匹配电路，电阻和电容值根据选型具体天线型号进行匹配。天线阻抗走线需要远离数字信号线、电源等干扰信号。天线阻抗走线需要立体包地，并在走线两边多加地孔作隔离，天线线路损失要小于 0.3 dB。所以要保持PCB走线尽可能短，天线匹配中TVS管脚本身的寄生电容必须要小，以避免信号受到干扰。考虑到天线所使用的频段，以及不同频段所能够接受的最小寄生电容值，通常使用在天线上的ESD保护组件其寄生电容值必须小于 0.5 pF，甚至更低。

3 结束语

本文主要论述了一款基于物联网技术的数字远传电表的系统主要硬件设计方案。该方案采用大唐三网通NB-IoT模组M112、 ADI高性能多相电能计量芯片ADE9078以及意法半导体Stm32单片机进行设计。本文对涉及到的主要电路关键部分进行了详细的设计说明。通过测试表明，该方案不仅可以提供高精度的数据测量，而且可以进行更为可靠的数据远程传输，为智能远传数字电表的硬件设计提供了一种解决方案。