一种超低功耗无线电流检测终端设计

王炜富 沈剑峰

（1.大连工业大学艺术与信息工程学院 辽宁省大连市 116000 2.东软医疗系统股份有限公司 辽宁省沈阳市 110167）

近年来，随着家用电器使用的多样化，电能使用也随之增加，所以需要检测各个电器的用电量，也就是检测电流，从而更好的计量电量和有效节能。因此，为了准确无误管理用电器的使用，需要在各个区域内安装电流检测终端则是有必要的。

本文设计了一种超低功耗无线电流检测终端。该终端基于CT取电技术和ADC 采集技术检测电流值，并利用超低功耗微控制器将电流信号传输给上位机。可有效地提高电流检测准确度，从而更好的管理用电器使用。

1 终端系统方案

该终端主要由CT 取电电路、电流检测电路、超低功耗微控制器电路及zigbee 无线模块四部分组成。采用感应取电线圈给终端分别提供采集电流线圈和供电线圈；利用超小型高精度模数转换器ADS1115 进行电流数据采集；使用ST 公司的超低功耗STM32L151C8T6 微控制器作为主控和瑞瀛公司开发的超低功耗国产型号为REX3T 的zigbee 模块进行上位机数据交互。图1 为该终端硬件系统框图。

图1：终端硬件系统框图

2 终端电路设计

2.1 CT取电电路和供电电路

CT 取电也称为感应取电，即利用高压母线与电流互感器通过电磁感应原理获得电源的一种电路，由CT 取电和电源转换模块两部分组成。本文为完成采集电网中的电流，所以，采用两个电流互感器并联方式，一个次级绕组完成电流值输出，另一个次级绕组完成电源转换，给该无线电流检测终端提供电能。图2 为CT 取电和供电电路。

图2 中，初级绕组是进入家用电器的火线，它需要穿过互感器中的开口。两个次级绕组由多匝细线绕组构成。在流入初级的交流电在铁芯中产生磁场，从而在次级绕组中感应出电流。所以，次级绕组的电流与初级绕组的电流成正比，即I次级=CT匝比×I初级。本设计中，次级绕组为2000 匝，因此，次级电流是初级电流的2000 分之一。经过设计，互感器的比率为100：0.05。

图2：CT 取电和供电电路

次级绕组N2 为后续电流检测接口，分别为AIN0 和AIN1。次级绕组N3 则采用D5 二极管进行半波整流，同时利用一个D4 瞬态抑制二极管保护电路不受冲击。C18 电容进行滤波，采用型号为NCP551 的稳压芯片将电压维持在3.3V 并给微控制器提供电源[1]。C17 输出电容采用大容量的固态电容，其目的是微控制器由低功耗切换为正常负荷时，切换时需要的大量电能均来自供电电路中的电容，而固态电容的高速充放电特性可以在瞬间输出高峰值电流，保证充足的电源供应，确保整个终端稳定工作。

2.2 电流采集电路

ADS1115 是一种超小型、低功耗、内部具有16 位数字转换器，芯片转换的最高采样速率是860sps；可分辨的最小模拟量为256mV，可提供4 个单端输入[2]。该芯片可以工作与连续转换模式或单触发模式，其中，在单触发模式下，一次转化完成后自动断电，极大降低了芯片的功耗[3]。图3 为本设计的ADS1115 电流采集电路。

图3：ADS1115 电流采集电路

图3 中，从电流互感器获得模拟电流信号，通过ADS1115 的模拟AIN0 和AIN1 输入引脚输入ADS1115 芯片内部。通过STM32微控制器，控制这两个输入端进行数据转化与处理。SCL 和SDA为I2C 的时钟信号线和数据线，分别与STM32 微控制器的PB6 和PB7 引脚连接，构成I2C 串行总线。通过该总线，实现ADS1115和STM32 微控制器之间的数据通信。使得ADS1115 内部的16 位模数转化器对模拟信号进行转化，最终将得到的数字量通过I2C 总线传送到STM32 微控制器进行数据计算与处理。

2.3 微控制器模块与zigbee模块通讯

微控制器模块选用ST 公司推出的低功耗系列STM32L151C8T6微控制器，该控制器是基于32 位Cortex-M3 内核，低功耗工作模式下电流达9uA，低功耗睡眠模式下电流可低至4.4uA[4]，由其构成的最小系统可以满足设计需要。zigbee 模块选用瑞瀛公司开发的低功耗系列REX3T 模块，该模块是基于TLSR825X 芯片设计，低功耗工作模式下，接收电流6mA，发射电流20mA，休眠模式电流小于1uA，因此，也可满足设计需要。图4 为zigbee 模块电路。

图4：zigbee 模块电路

图4 中，zigbee 模块的PB1 为发送，PC3 为接收；该两个引脚都接22R 电阻分别与STM32 微控制器的PA10 接收引脚和PA9 发送引脚连接，通过串口通信方式完成所有数据的无线远程交互。

3 软件设计

该无线电流检测终端采用C 语言开发，利用keil 环境进行程序编写、编译和在线调试。首先对终端系统进行时钟、总线、RTC和ADC 初始化，接着对交流值进行数据采集，然后利用ADS1115模数转换器将模拟电压值转换为数字电压值，经过低功耗STM32微控制器进行运算处理，最终利用串口调试采集电流值。再利用STM32 微控制器的低功耗模式进行配置，完成每2 秒进入正常模式采集，每8 秒进入低功耗模式，循环往复进行模式切换，极大降低终端设备的使用功耗。

4 测试结果与分析

为了测试整个终端的性能，采用了一款型号为FC306-1 额定功率为1350W 的多功能电热锅作为测试对象。在烧水加热模式下，额定电流约为6A。利用串口调试助手串口，每2 秒传输一次采集的电流值。经过实测采集的电流值与额定值非常接近，满足设计要求。

综上，该无线电流检测终端能够满足设计需求，具有检测精度好，可靠性高和低功耗等特点，可广泛应用于家用电器设备电能检测。