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总结架构设计

1. 时钟功能设计

需求分析

根据 3.5 时间同步功能（FUN-004）

• FUN-004-03: 正常供电守时： 无外部授时信号时，依靠内部高精度时钟源（如温补晶振 TCXO）实现守时，24h 守时误差≤1s。
• FUN-004-03:电源中断守时： 主电源失电切换至后备电源（蓄电池 / 超级电容）期间，守时功能不中断；后备电源耗尽后，时钟芯片应保留时间信息至少 72h（可选：配置纽扣电池实现永久时钟保持）。

时钟模块选择 SD2506API-G

详见：硬件设计/元器件/时钟芯片_SD2506API-G.md

2. 网络功能设计

经过比较功能的稳定性与设计的便利性，准备采用硬件 TCP/IP 协议栈的方案：

• STM32F407ZET6 22.5
• CH395F 8.5
• RTL8305NBI-CG 7
• 带网络变压器的 RJ45 网口 HY911105AE 淘宝 8.5

3. 存储功能设计

根据 3.6 存储功能（FUN-006），计划选取 GD5F2GQ5UE SPI NAND Flash 芯片作为DTU项目的存储芯片。计算首先使用简单的 标准 SPI通信方式与主控芯片连接。

需求指标	DTU 要求	GD5F2GQ5UE 参数	满足度
接口类型	SPI/QSPI	支持标准 SPI、双 SPI、四路 SPI	✅ 完全满足
最高时钟频率	≥50MHz	104MHz	✅ 超额满足
数据传输速率	≥100Mbits/s	Quad I/O 模式下 416Mbits/s	✅ 超额满足
页写入时间	≤500μs	典型 300μs	✅ 完全满足
块擦除时间	≤5ms	典型 3ms	✅ 完全满足
存储空间	≥256MB（标准款）	2Gb	✅ 完全满足
擦写寿命	≥10 万次	10 万次 (SLC 架构)	✅ 完全满足
工作温度范围	户外：-40℃~+70℃	工业级：-40℃~+85℃	✅ 完全满足

4. 模拟量采样设计

为了满足FUN-001-01:交流工频模拟量采集

需求分析

1. FUN-001-01:交流工频模拟量采集采样频率适配工频 50Hz，工频采样范围 45Hz~55Hz，频率测量误差≤0.02Hz
2. FUN-001-01:交流工频模拟量采集测量精度：1.2 倍标称值范围内，电压/电流引用误差≤0.5%，有功 / 无功功率、功率因数引用误差≤1%
3. 支持谐波分析、功率方向判断
4. 满足分合闸回路录波、绝缘异常录波等扩展功能
5. 准确还原短路、接地、断线等故障的暂态波形细节
6. 故障录波、故障处理、事件顺序记录 (SOE) 分辨率≤2ms 电力系统标准工频$f₀=50\text{Hz}$，采样率与每周期采样点数的关系为：
   N（每周期点数）= 采样率(SPS) ÷ 工频(Hz)
   建议采样率为：6400SPS = 128点/周波，这是兼顾精度、算力和成本的最优平衡点。

1. 频率误差需求

测量相邻两个基波过零点的时间间隔T，频率f=1/T。误差来源于ADC离散采样的量化误差——真实过零点必然落在两个采样点之间，最大时间误差为半个采样周期。

• 采样周期：T_s = \frac{1}{f_s} = \frac{1}{6400} \approx 156.25\ \mu s
• 半周期（相邻过零点间隔）：T_{1/2} = \frac{1}{2f_0} = 10\ ms
• 半周期最大量化误差：\Delta T_{max} = \frac{T_s}{2} \approx 78.125\ \mu s
• 频率绝对误差：\Delta f = f_0 \times \frac{\Delta T_{max}}{T_{1/2}} = 50 \times \frac{78.125\ \mu s}{10\ ms} \approx 0.0039\ Hz 不同采样率的过零检测误差对比：

采样率 (SPS)	每周期点数	采样周期 (μs)	最大频率误差 (Hz)	是否满足≤0.02Hz
6400	128	156.25	0.0039	✅ 余量充足
3200	64	312.5	0.0078	✅ 余量一般
1600	32	625	0.0156	✅ 余量极小
800	16	1250	0.0312	❌ 不满足
实际工况的误差叠加

• 电网谐波（3/5/7 次谐波占比可达 10%）
• 电磁干扰（电快速瞬变、浪涌等）
• ADC 非线性、温漂、噪声
• 频率波动（45Hz55Hz） 这些因素会使实际误差放大**35 倍**：

• 1600SPS实际误差≈0.0156×4≈0.0624Hz，超过0.02Hz要求
• 6400SPS实际误差≈0.0039×4≈0.0156Hz，仍满足要求

2. 测量精度误差需求

功率因数引用误差≤1%分析： 相位检测精度直接决定功率测量精度和功率方向判断正确性。 相位误差与功率误差的关系：P = UI\cos\phi 对相位求导得相对误差：

\left| \frac{\Delta P}{P} \right| = |\tan\phi| \times \Delta\phi \quad (\Delta\phi单位：弧度) 

最恶劣工况：功率因数 $\cos\phi=0.5$（感性/容性负载），此时$\tan\phi=\sqrt{3}\approx1.732$。代入得允许的最大相位误差1%：

\Delta\phi_{max} \leq \frac{0.01}{1.732} \approx 0.00577\ 弧度 \approx 0.331^\circ

终端采用同步采样 + 基波 DFT计算相位，量化噪声导致的基波相位误差标准差为：

\sigma_\phi = \frac{1}{\sqrt{12} \times N} \quad (弧度) 

其中N为每周期采样点数，量化噪声均匀分布，方差为 q^2/12

采样率 (SPS)	每周期点数 N	相位误差标准差 (弧度)	相位误差标准差 (度)	是否满足≤0.331°
6400	128	0.00226	0.129	✅ 余量充足
3200	64	0.00451	0.258	✅ 余量不足
1600	32	0.00902	0.517	❌ 不满足

电压/电流引用误差 ≤0.5% 分析 每周波 N 点同步采样，理想条件下：

• 电压 / 电流 RMS 误差 ∝ 1/N²
• 功率误差 ∝ 1/N 6400 SPS = 128 点 / 周波，误差远远的小于0.5%。

芯片选型

根据前面的分析 TPAFE5160 芯片满足上述需求。

主控芯片连接方案设计 STM32F407ZGT6

ADC 引脚使用

ADC 通道号	ADC1	ADC2	ADC3	对应 IO 口	连接节点
0	✅	✅	✅	PA0	ADIN1
1	✅	✅	✅	PA1	ADIN2
2	✅	✅	✅	PA2	ADIN3
3	✅	✅	✅	PA3	ADIN4
4	✅	✅	❌	PA4	ADIN5
5	✅	✅	❌	PA5	ADIN6
6	✅	✅	❌	PA6	ADIN7
7	✅	✅	❌	PA7	ADIN8
8	✅	✅	❌	PB0
9	✅	✅	❌	PB1

UART 引脚使用

UART编号	STM32 UART	TX	RX
ST_UART0	USART1	PA9	PA10
ST_UART1	USART2	PD5	PD6
ST_UART2	USART3	PB10	PB11
ST_UART3	USART4	PC10	PC11
ST_UART4	USART5	PC12	PD2

SPI 引脚使用

UART编号	STM32 UART	SCK	MISO	MOSI
GD	SPI1	PB3	PB4	PB5
CH395F	SPI2	PB13	PB14	PB15

IIC 引脚使用

IIC 编号	STM32 I2C	SCK	MISO	MOSI
SD	SPI1	PB3	PB4	PB5

启动模式设置（Flash 启动）

BOOT0 和 (PB2/BOOT1) 用于设置 STM32 的启动方式，本项目选用Flash 启动 J-Link 下载程序，因此 BOOT0 直接接地就好了。

138 BOOT0	48 BOOT1	启动模式	说明
0	X	Flash 启动	程序正常从 flash 运行
1	0	系统存储器	用于串口下载代码
1	1	SRAM 启动	用于在SRAM中调试代码