<h3 style="line-height:1.8;"> 1、项目功能介绍</h3> <hr> <p><strong>本项目研究了光伏发电与城市应用等复杂环境下高精度直流电能计量技术，设计一款高精度智能直流电能计量装置。</strong></p> <p><strong>  在精度提高方面，对直流电中存在的纹波、突变和噪声等干扰信号进行分析和处理，提出高精度计量软硬件单元，解决光伏直流电能计量不准的问题。</strong></p> <p><strong>  在服务城市、便利管理方面，基于物联网平台设计电监控管理系统实现智能监控功能，对直流供电系统进行智能化、远距离检测和管理。</strong></p> <p><strong>  本项目设计的高精度直流电能计量装置由计量模块、通讯模块、显示模块、单片机控制模块和上位机部分组成。其中，核心部分是计量模块，它是保证电能表计量准确性的关键；单片机控制模块实现系统中各个部件的协调控制、人机交互等重要功能。</strong></p> <p><strong>  在工作时，电压、电流经 A/D 转换后，直接送至 CPU进行处理，CPU 根据需要从 EEPROM 和时钟 RTC 内存、取数据，并将处理过的数据按需要分别送至显示部分、上位机部分等数据输出单元。直流电表带有温度补偿电路芯片，在标称温度下，能保证时钟日误差小于 0.5 s/d。在数据安全性方面，采用冗余设计，数据多重备份。</strong></p> <p style="line-height:1.8;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/HojGfis5TvkuS9KYyDhgkFE8uu8U9OkTWC3RIM2C.png" width="436" height="282" alt="HojGfis5TvkuS9KYyDhgkFE8uu8U9OkTWC3RIM2C.png"></p> <h3 style="line-height:1.8;"> 2、项目属性</h3> <hr> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"><strong>非首次公开 原创项目 曾获数项省国级奖项</strong></p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <h3 style="line-height:1.8;"> 3、开源协议</h3> <hr> <p><strong>BCD License</strong></p> <p><strong><a title="BSD License" href="https://opensource.org/licenses/BSD-2-Clause" target="_blank">https://opensource.org/licenses/BSD-2-Clause</a></strong></p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <h3 style="line-height:1.8;">4、硬件部分</h3> <hr> <div>  <span style="font-size:10pt;"><span style="font-size:10pt;"><strong>   </strong></span></span> <div> <strong>  本高精度直流电能计量与云端协同智控系统硬件部分，核心采用瑞萨 RA4L1-KB 开发板。该开发板搭载 Arm Cortex-M4 内核，最高主频可达 48MHz，集成 256KB 闪存与 32KB RAM，具备高效的数据处理能力与丰富的外设接口，可满足系统各模块协调控制、数据运算及人机交互等核心需求。整个硬件系统以瑞萨 RA4L1-KB 开发板为中心，设计了涵盖电流采样、电压采样、按键、通信、RTC 电池及内卡存数的电路，其中按键模块做了防抖处理，通信模块引入隔离设计方案，RTC 电池与内卡存数模块均进行防静电处理，确保各部件稳定运行。</strong></div> <div><strong>   系统电源电路采用 15V 直流供电，工作范围覆盖 10V-20V。15V 电源输入在变压器前端先经过自恢复保险丝与肖特基二极管处理，自恢复保险丝可防止电路过载以保护后端元件，肖特基二极管则避免电流反向输入损坏电路。随后电源分为三路，一路经开关接入 12V 稳压模块，一路经开关接入 5V 稳压模块，还有一路通过发光二极管接地，发光二极管用于指示电路开关状态。12V 与 5V 稳压模块均采用 LM2596S 芯片，该芯片内部集成频率补偿与固定频率发生器，开关频率达 150KHz，相比低频开关调节器可使用更小规格滤波元件，且最少仅需 4 个外接元件，大幅简化电路设计；输入电流经高低电容滤波后进入芯片，电容能平缓电压突变并滤除高低频噪声，输出端同样串联自恢复保险丝与肖特基二极管以强化保护。此外，系统还设计 5V 转 3.3V 稳压模块，支持两种供电模式，既可接收前述变压模块输出的电压，也能通过 USB 接口获取外部供电，输入电流经电容滤波后送入 BL1117-3.3 降压芯片，输出 3.3V 电压为瑞萨 RA4L1-KB 开发板及相关低压元件供电。</strong></div> <div><strong>   直流测量采样电路包含电流与电压采样两部分。电流采样采用高精度电能计量芯片方案，芯片工作电压 ±15V 来自系统电源模块，输出 ±4V 电压采样信号，误差不超过 25mV。4V 采样信号经分压电阻输入计量芯片电流采样通道，因分压电阻特性，计量芯片采样端之间阻抗较大，输入采样信号实际等同于采样端电压差，即参考电阻对地电压差，该参考电阻性能直接决定采样精度，也被称为采样电阻。针对不同规格输入电流，霍尔电流传感器在额定输入时输出采样电压均为 4V，采样电路外部信号还增加阻容电路滤波，噪声信号通过计量芯片内部硬件处理，进一步提升抗干扰能力。电压采样从 48V 电源系统取电，先经过压敏电阻避免浪涌雷击干扰，再通过串联分压电阻与采样电阻输入计量芯片电压采样通道，经计算确保输入信号在计量芯片 ADC 最大采样范围 1000mV 以内，外部信号分压后同样通过阻容电路滤波，再进入计量芯片内部处理，保证电压计量准确。采样得到的电流、电压信号最终均送入瑞萨 RA4L1-KB 开发板进行数据运算与处理。</strong></div> <div><strong>   通信电路采用 RS485 接口，工作电源为 5V，通信方式为半双工。电路核心是 RS485 芯片，通过芯片特定引脚控制线路的接收与发送功能。输入的 3.3V 电压经电容滤波，去除电源中的高频杂波，防止电路产生自激以维持稳定工作状态。考虑到工业应用中雷击、电源波动、静电放电可能产生瞬变电压损坏芯片，电路加装多个 TVS 二极管，将总线上的电压钳位在 RS485 收发器的共模电压范围内；若面临更高电源瞬变，还可在受保护器件与输入引脚之间增加 10-20 欧姆电阻强化保护。RS485 芯片与瑞萨 RA4L1-KB 开发板通过适配引脚连接，实现系统与外部设备的稳定数据交互。</strong></div> <div><strong>   自动下载电路针对瑞萨 RA4L1-KB 开发板的程序下载特性设计，该开发板支持特定的启动与下载模式，通过控制开发板的特定 GPIO 引脚与复位引脚，实现上电时自动进入下载启动模式，无需手动切换，确保程序下载流程可靠执行，即使部分引脚在接入外部设备时呈现高电平，也能避免下载异常。</strong></div> </div> <h3 style="line-height:1.8;">5、软件部分</h3> <hr> <p style="line-height:1.8;">  <img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/pHjoTyCDRpBabbvfExy29Ea1UsVUDOyTNeOeg8yY.png" width="1172" height="455" alt="pHjoTyCDRpBabbvfExy29Ea1UsVUDOyTNeOeg8yY.png"></p> <p style="line-height:1.8;">    从软件功能模块与流程来看，整体延续文档中“数据采集-数据存储-数据应用”的核心逻辑，以瑞萨开发板为主控适配实现。功能模块上，采集层通过瑞萨SPI驱动对接HLW8112计量芯片（获取8路电压、电流数据），搭配按键检测与RTC时钟同步（保障数据时间戳准确）；存储层沿用文档“多级冗余”设计，用瑞萨EEPROM实现RAM实时数据、掉电备份数据的存储，且通过CRC校验确保完整性；应用层支持LCD本地显示（电参数与波形）、MQTT协议上云（对接阿里云IoT）及RS485-PC调试（PyQt工具）。流程上，系统上电先完成瑞萨FSP驱动（SPI、UART等）与全局参数初始化，再按10ms间隔采样数据，经滤波、积分计算后判断数据合法性，合法则累加电能并存储，非法则从备份区恢复，最后推送数据至显示或云端。</p> <p style="line-height:1.8;">  <img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/8utcHK6uhYmXuHKN3kYcaDnRLYg4Z8zKN6DMQ2EG.png" width="621" height="883" alt="8utcHK6uhYmXuHKN3kYcaDnRLYg4Z8zKN6DMQ2EG.png"></p> <p style="line-height:1.8;">    核心算法均保留文档设计并适配瑞萨硬件性能。电能计算采用文档中的复化Newton-Cotes积分算法，将连续电能拆解为小区间梯形求和，减少直流纹波、突变带来的误差（如光伏场景功率波动），瑞萨开发板48MHz主频可满足10ms/次采样的实时性需求；干扰处理用文档规定的“中值滤波+滑动平均滤波”组合，先剔除脉冲噪声（如充电桩电流突变），再平滑高频干扰，确保采样数据准确；数据可靠性则遵循文档“CRC校验+多级恢复”机制，对计量数据计算CRC值防篡改，上电时按“RAM→RAM备份→EEPROM备份”顺序恢复异常数据，与文档中的数据保护逻辑一致。</p> <p style="line-height:1.8;">    源码结构与编译烧录环节简化适配瑞萨环境。源码基于瑞萨e2studio开发，分为FSP库（自动生成的SPI、UART等外设驱动）与应用层（含硬件抽象驱动如HLW8112、RS485驱动，及数据采集、电能计算等功能模块，还有主函数统筹流程），对应文档中硬件接口与功能需求。编译环境搭建只需安装e2studio与瑞萨对应FSP包，配置SPI（HLW8112时序）、UART（RS485参数）等外设后，导入源码点击“构建”生成hex文件；烧录用J-Link连接瑞萨开发板SWD接口，配置设备型号与通信速率后，下载hex文件即可，全程保障与文档功能（如0.2级精度、多场景适配）兼容。</p> <h3> </h3> <h3>7、大赛LOGO验证</h3> <hr> <p style="line-height:1.8;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/bPWSayYxGDl0YrF5BH1lueM30NFdbN5ChN2tOjYg.jpeg" width="736" height="982" alt="bPWSayYxGDl0YrF5BH1lueM30NFdbN5ChN2tOjYg.jpeg"></p> <p style="line-height:1.8;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/3fHdomCaLTltJmHWbMrEswfKi0PwKEfsGaonkR1V.jpeg" width="724" height="966" alt="3fHdomCaLTltJmHWbMrEswfKi0PwKEfsGaonkR1V.jpeg"></p> <p style="line-height:1.8;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/6i6qP5MDVckpTqHXAzMevaO78lw6vbv1VSQQ5BuH.jpeg" width="722" height="963" alt="6i6qP5MDVckpTqHXAzMevaO78lw6vbv1VSQQ5BuH.jpeg"></p> <p style="line-height:1.8;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/m8Ot0WoETfZGEHM08paL6SNeZ59oPfzrTw4NRUPp.jpeg" width="885" height="663" alt="m8Ot0WoETfZGEHM08paL6SNeZ59oPfzrTw4NRUPp.jpeg"></p> <p style="line-height:1.8;"> </p>