方案概述

核心芯片：STM32F4系列

方案详情：

本方案是一种可以实时测量电网中的交流电压、电流、频率、有功功率、无功功率等电力参数，并能实时分析电网中的谐波和智能识别电器的电网分析仪。本方案集电力参数测量，包括交流电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数，和谐波分析以及智能电器识别于一体，能够对电网中的电压和电流信号进行谐波分析，确定各谐波的分量，通过移动端显示出来，计算出THD失真度，同时，根据阈值加权算法，分析得出负载的特性，智能识别出所接入电网的用电器，可以显示一段时间内电压、电流、功率等的变化曲线，以及电流电压的波形，以便于电网工作人员排除故障。

本方案包含物联网智能开关的所以技术细节，移动端通过服务器对硬件设备进行参数监控及控制，移动端具有良好的人机交互界面方便用户的操作。

应用场合与方案优势：

应用于智能家居，将设备接入电网入网端，通过移动端实时查看家里电器的电耗情况。

方案图片：

STM32F4介绍

STM32F4是由ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器。ST（意法半导体）推出了以基于ARM® Cortex™-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 纳米的NVM 工艺和ART（自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator™）。

ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致，

使得STM32 F4系列可达到210DMIPS@168MHz。

自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4 内核的性能；当CPU 工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。

STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮点单元），提升

了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。

STM32 F4系列引脚和软件兼容于当前的STM32 F2系列产品。

优点编辑

※兼容于STM32F2系列产品，便于ST的用户扩展或升级产品，而保持硬件的兼容能力。

※集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算法的执行速度和代码效率。

※先进技术和工艺

- 存储器加速器：自适应实时加速器（ART Accelerator™ ）

- 多重AHB总线矩阵和多通道DMA：支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快

- 90nm工艺

※高性能

- 210DMIPS@168MHz

- 由于采用了ST的ART加速器，程序从FLASH运行相当于0等待更多的存储器

- 多达1MB FLASH （将来ST计划推出2MB FLASH的STM32F4）

- 192Kb SRAM：128KB 在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上高级外设与STM32F2兼容

- USB OTG高速 480Mbit/s

- IEEE1588， 以太网 MAC 10/100

- PWM高速定时器：168MHz最大频率

- 加密/哈希硬件处理器：32位随机数发生器（RNG）

- 带有日历功能的32位RTC：<1 μA的实时时钟，1秒精度

※更多的提升

- 低电压：1.8V到3.6V VDD，在某些封装上，可降低至1.7V

- 全双工I2S

- 12位 ADC：0.41us转换/2.4Msps（7.2Msps在交替模式）

- 高速USART，可达10.5Mbits/s

- 高速SPI，可达37.5Mbits/s

- Camera接口，可达54M字节/s

STM32F1和STM32F4区别

u  F1采用Crotex M3内核，F4采用Crotex M4内核。

u  F1最高主频 72MHz， F4最高主频168MHz。

u  F4具有单精度浮点运算单元，F1没有浮点运算单元。

u  F4的具备增强的DSP指令集。F4的执行16位DSP指令的时间只有F1的30%~70%。F4执行32位DSP指令 的时间只有F1的25%~60%。

u  F1内部SRAM最大64K字节， F4内部SRAM有192K字节（112K+64K+16K）。

u  F4有备份域SRAM（通过Vbat供电保持数据），F1没有备份域SRAM。

u  F4从内部SRAM和外部FSMC存储器执行程序的速度比F1快很多。F1的指令总线I-Bus只接到Flash上，从SRAM和FSMC取指令只能通过S-Bus，速度较慢。F4的I-Bus不但连接到Flash上，而且还连接到SRAM和FSMC上，从而加快从SRAM或FSMC取指令的速度。

u  F1最大封装为144脚，可提供112个GPIO；F4最大封装有176脚，可提供140个GPIO。

u  F1的GPIO的内部上下拉电阻配置仅仅针对输入模式有用，输出时无效。而F4的GPIO在设置为输出模式时，上下拉电阻的配置依然有效。即F4可以配置为开漏输出，内部上拉电阻使能，而F1不行。

u  F4的GPIO最高翻转速度为84MHz，F1最大翻转速度只有18MHz。

u  F1最多可提供5个UART串口，F4最多可以提供6个UART串口。

u  F1可提供2个I2C接口，F4可以提供3个I2C接口。

u  F1和F4都具有3个12位的独立ADC，F1可提供21个输入通道，F4可以提供24个输入通道。F1的ADC最大采样频率为1Msps，2路交替采样可到2Msps（F1不支持3路交替采样）。F4的ADC最大采样频率为2.4Msps，3路交替采样可到7.2Msps。

u  F1只有12个DMA通道，F4有16个DMA通道。F4的每个DMA通道有4*32位FIFO，F1没有FIFO。

u  F1的SPI时钟最高速度为 18MHz， F4可以到37.5MHz。

u  F1没有独立的32位定时器（32位需要级联实现），F4的TIM2和TIM5具有32位上下计数功能。

u  F1和F4都有2个I2S接口，但是F1的I2S只支持半双工（同一时刻要么放音，要么录音）,而F4的I2S支持全双工，放音和录音可以同时进行。

STM32F4 系列  

STM32F4 series of high-performance MCUs with DSP and FPU instructions

The ARM® Cortex®-M4-based STM32F4 MCU series leverages ST’s NVM technology and ART Accelerator™ to reach the industry’s highest benchmark scores for Cortex-M-based microcontrollers with up to 225 DMIPS/608 CoreMark executing from Flash memory at up to 180 MHz operating frequency.

With dynamic power scaling, the current consumption running from Flash ranges from 89 µA/MHz on the STM32F410 up to 260 µA/MHz on the STM32F439.

The STM32F4 series consists of eight compatible product lines of digital signal controllers (DSC), a perfect symbiosis of the real-time control capabilities of an MCU and the signal processing performance of a digital signal processor (DSP):

Advanced lines: 

180 MHz CPU/225 DMIPS, up to 2 Mbytes of dual-bank Flash memory with SDRAM and Chrom-ART Accelerator™

STM32F469/479 – Quad-SPI interface, LCD-TFT controller and MPI-DSI interface

STM32F429/439 –  LCD-TFT controller

STM32F427/437 – serial audio interface, more performance and lower static power consumption

Foundation lines:

STM32F446 – 180 MHz/225 DMIPS, up to 512 Kbytes of Flash memory with dual Quad-SPI and SDRAM interfaces

STM32F407/417 – 168 MHz CPU/210 DMIPS, up to 1 Mbyte of Flash memory adding Ethernet MAC and camera interface

STM32F405/415 – 168 MHz CPU/210 DMIPS, up to 1 Mbyte of Flash memory with advanced connectivity and encryption

Access lines: The entry-level microcontrollers of the STM32F4 series!

84 MHz CPU/105 DMIPS, the smallest, cost-effective solution with outstanding power efficiency (Dynamic Efficiency™)

STM32F401 – Less than 3 x 3mm with USB 2.0FS OTG and SDIO interfaces

100 MHz CPU/125 DMIPS, outstanding power efficiency (Dynamic Efficiency™) and Batch Acquisition Mode (BAM), a new smart DMA-optimizing power consumption for data batching

STM32F410 – New milestone in outstanding power efficiency (89 µA/MHz and 6 µA in Stop mode), true random number generator, low-power timer, and DAC. 

STM32F411 – High RAM density and enhanced peripheral set such as USB 2.0FS OTG and up to 5 SPI interfaces.

STM32F412 – High RAM and Flash memory density, USB interface, and enhanced peripheral set including a flexible external static memory controller with up to 16-bit data bus for LCD and external memory control, dual-mode Quad-SPI, CAN, DFSDM, and TRNG.

STM32F413/F423 – Extends STM32F412 features with higher RAM and Flash memory density and an enhanced peripheral set including 10 UARTs, 3 CANs, SAI interface, a low-power timer, 2 DACs, 2 DFSDM with up to 6 filters. The STM32F423 includes AES encryption.

STM32F4 Access lines: Entry level and still an F4!

The STM32F4 Access lines are made of STM32F401, STM32F410,STM32F411, STM32F412 and STM32F413/423 devices. They are the entry-level STM32F4 microcontrollers for cost-conscious applications requiring performance, energy efficiency, integration and connectivity.

Access lines, but still with performance and power efficiency:

Performance up to 100 MHz/ 125 DMIPS with dynamic efficiency down to 89 µA/MHz in Run mode

ST's Adaptive Real Time (ART) accelerator allowing zero-wait execution from embedded Flash memory

Batch Acquisition Mode (BAM) for Always-on data collection, even when the core is stopped, and dynamic power scaling

Low-power digital microphone interface for acquisition of up to 6 microphones

Access lines, but still with high integration and compactness:

Wide memory choice from 128 Kbytes of Flash memory / 32 Kbytes of RAM up to 1.5 Mbyte of Flash memory  / 320 Kbytes of RAM

Smallest Cortex-M4 based device available in the entire STM32 portfolio, down to 2.553 x 2.579 mm

Access lines, but still with rich connectivity:

Up to 10 UARTs, USB OTG FS, 3xCANs,  and up to 5 SPI/I2S interfaces

LCD parallel interface, 8080/6800 modes

Quad-SPI and FMC parallel interfaces supporting a large choice of external memory types

Note : To ease your upgrade from STM32F1 designs to STM32F4 access lines, refer to our application note AN4904.

Access lines, but still with a comprehensive development environment including:

STM32F412 Discovery kit (32F412GDISCOVERY) combines STM32F412 features with color touchscreen, joystick, stereo MEMS microphones, external memory capabilities, full-speed OTG USB interface and more.

STM32 Nucleo-144 development board (NUCLEO-F412ZG) with an STM32F412 MCU as well as Arduino, ST Zio and morpho connectivity provides an affordable and flexible way to try out new concepts and build prototypes.

STM32F469/F479 – enabling integrated IOT and wearable applications with advanced graphic user interface

The new STM32F469/479 product lines deliver high performance capability coupled with large memory resources and advanced graphic features enabling rich Internet of things and wearable application.

180 MHz/225 DMIPS, FPU and DSP capabilities 

2 Mbytes of internal Flash and 384 Kbytes of internal RAM

Chrom-ART accelerator for more animation and graphic effects

World first MCU embedding MIPI-Display Serial Interface  controller

TFT-LCD and parallel display interfaces

Extended connectivity including memory extensions, Ethernet, USB, SD/MMC and camera interfaces

The integrated MIPI-DSI controller opens the door to the most modern displays coming with higher pixel density, fewer pins, lower EMI and lower power consumption.

智能电器

智能电器，一方面使电器设备具有智能化的功能，另一方面使开关电器，包括智能化断路器和智能化电动机控制器实现与中央控制计算机双向通讯。进入20世纪90年代，随着计算机信息网络的发展，配电系统和电动机控制中心已形成了智能化监控、保护与信息网络系统。

智能电器相关信息

目前自动化控制中使用大量的软起动器、电力电子调速装置和不间断电源等，这些装置都会使配电系统产生高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般反映故障电流的峰值，因而电源的高次谐波会造成断路器的误动作。而带微处理器的智能化断路器的中央处理单元能准确反映负载电流真实的有效值(RMS值)，它的采样和保持电路能消除输入信号中的高次谐波，因而能避免高次谐波造成的误动作。

智能化过载继电器与传统的双金属热继电器相比，具有一系列的优点，它能保护多种起动条件的电动机，具有很高的动作可靠性。它不但可保护电动机过载与断相，并可保护接地、三相不平衡、反相或低电流等。在智能化电动机保护继电器基础上进一步开发的智能电动机控制器，兼有监控、保护和通讯的功能。

由智能电器单元与中央控制计算机组成的网络系统与传统的配电系统与电动机控制中心相比有以下优点：实现中央计算机集中控制，提高了配电系统自动化程度；使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。由于采用数字化的新型监控元件，使配电系统和控制中心向上提供信息量大幅度增加；监控元件和传统的指示和指令电器相比较，接线简单、便于安装，提高了工作的可靠性；可以实现数据共享，减少信息重复和信息通道。