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。

2、项目属性

非首次公开原创项目曾获数项省国级奖项

3、开源协议

BCD License

https://opensource.org/licenses/BSD-2-Clause

4、硬件部分

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。

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。

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。

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。

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。

5、软件部分

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。

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。

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。