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## 总结架构设计
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## 1. 时钟功能设计
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### 需求分析
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根据 [3.5 时间同步功能（FUN-004）](站所终端项目需求.md#3.5%20时间同步功能（FUN-004）)
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* `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。
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* `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）。
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### 时钟模块选择 SD2506API-G
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详见：[[硬件设计/元器件/时钟芯片_SD2506API-G.md]]
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## 2. 网络功能设计
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[经过比较功能的稳定性与设计的便利性](网络方案设计.md)，准备采用硬件 TCP/IP 协议栈的方案：
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* STM32F407ZET6 22.5
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* CH395F 8.5
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* RTL8305NBI-CG 7
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* 带网络变压器的 RJ45 网口 HY911105AE 淘宝 8.5
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## 3. 存储功能设计
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根据 [3.6 存储功能（FUN-006）](站所终端项目需求.md#3.6%20存储功能（FUN-005）)，计划选取 [GD5F2GQ5UE SPI NAND Flash 芯片](元器件/存储芯片.md#GD5F2GQ5UE%20SPI%20NAND%20Flash%20芯片)作为DTU项目的存储芯片。计算首先使用简单的 [标准 SPI](../../../../知识库/嵌入式/通信/SPI%20通信.md#模式一：标准%20SPI（Single%20SPI，1%20线）)通信方式与主控芯片连接。
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| 需求指标 | DTU 要求 | GD5F2GQ5UE 参数 | 满足度 |
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| 接口类型 | SPI/QSPI | 支持标准 SPI、双 SPI、四路 SPI | ✅ 完全满足 |
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| 最高时钟频率 | ≥50MHz | 104MHz | ✅ 超额满足 |
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| 数据传输速率 | ≥100Mbits/s | Quad I/O 模式下 416Mbits/s | ✅ 超额满足 |
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| 页写入时间 | ≤500μs | 典型 300μs | ✅ 完全满足 |
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| 块擦除时间 | ≤5ms | 典型 3ms | ✅ 完全满足 |
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| 存储空间 | ≥256MB（标准款） | 2Gb | ✅ 完全满足 |
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| 擦写寿命 | ≥10 万次 | 10 万次 (SLC 架构) | ✅ 完全满足 |
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| 工作温度范围 | 户外：-40℃~+70℃ | 工业级：-40℃~+85℃ | ✅ 完全满足 |
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## 4. 模拟量采样设计
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为了满足`FUN-001-01:交流工频模拟量采集`
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### 需求分析
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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
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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%
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3. 支持谐波分析、功率方向判断
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4. 满足分合闸回路录波、绝缘异常录波等扩展功能
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5. 准确还原短路、接地、断线等故障的暂态波形细节
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6. 故障录波、故障处理、事件顺序记录 (SOE) 分辨率≤2ms
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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：
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**N（每周期点数）= 采样率(SPS) ÷ 工频(Hz)**
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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。
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#### 1. 频率误差需求
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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**。
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- 采样周期：$T_s = \frac{1}{f_s} = \frac{1}{6400} \approx 156.25\ \mu s$
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- 半周期（相邻过零点间隔）：$T_{1/2} = \frac{1}{2f_0} = 10\ ms$
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- 半周期最大量化误差：$\Delta T_{max} = \frac{T_s}{2} \approx 78.125\ \mu s$
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- 频率绝对误差：$\Delta f = f_0 \times \frac{\Delta T_{max}}{T_{1/2}} = 50 \times \frac{78.125\ \mu s}{10\ ms} \approx 0.0039\ Hz$
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不同采样率的过零检测误差对比：
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| 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 |
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| 6400 | 128 | 156.25 | 0.0039 | ✅ 余量充足 |
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| 3200 | 64 | 312.5 | 0.0078 | ✅ 余量一般 |
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| 1600 | 32 | 625 | 0.0156 | ✅ 余量极小 |
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| 800 | 16 | 1250 | 0.0312 | ❌ 不满足 |
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实际工况的误差叠加
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* 电网谐波（3/5/7 次谐波占比可达 10%）
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* 电磁干扰（电快速瞬变、浪涌等）
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* ADC 非线性、温漂、噪声
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* 频率波动（45Hz~55Hz）
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这些因素会使实际误差放大**3~5 倍**：
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- 1600SPS实际误差≈0.0156×4≈0.0624Hz，**超过0.02Hz要求**
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- 6400SPS实际误差≈0.0039×4≈0.0156Hz，**仍满足要求**
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#### 2. 测量精度误差需求
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**功率因数引用误差≤1%分析：**
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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**。
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相位误差与功率误差的关系：$P = UI\cos\phi$
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对相位求导得相对误差：
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$$
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\left| \frac{\Delta P}{P} \right| = |\tan\phi| \times \Delta\phi \quad (\Delta\phi单位：弧度)
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$$
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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%：
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$$
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\Delta\phi_{max} \leq \frac{0.01}{1.732} \approx 0.00577\ 弧度 \approx 0.331^\circ
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$$
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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：
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$$
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\sigma_\phi = \frac{1}{\sqrt{12} \times N} \quad (弧度)
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$$
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其中N为每周期采样点数，量化噪声均匀分布，方差为 $q^2/12$
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| 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° |
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| --------- | ------- | ------------ | ----------- | ----------- |
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| 6400 | 128 | 0.00226 | 0.129 | ✅ 余量充足 |
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| 3200 | 64 | 0.00451 | 0.258 | ✅ 余量不足 |
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| 1600 | 32 | 0.00902 | 0.517 | ❌ 不满足 |
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**电压/电流引用误差 ≤0.5% 分析**
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每周波 N 点同步采样，理想条件下：
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* 电压 / 电流 RMS 误差 ∝ **1/N²**
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* 功率误差 ∝ **1/N**
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6400 SPS = **128 点 / 周波**，误差远远的小于0.5%。
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### 芯片选型
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根据前面的分析 TPAFE5160 芯片满足上述需求。
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## 主控芯片连接方案设计 STM32F407ZGT6
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### ADC 引脚使用
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| ADC 通道号 | ADC1 | ADC2 | ADC3 | 对应 IO 口 | 连接节点 |
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| ------- | ---- | ---- | ---- | ------- | ----- |
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| 0 | ✅ | ✅ | ✅ | PA0 | ADIN1 |
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| 1 | ✅ | ✅ | ✅ | PA1 | ADIN2 |
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| 2 | ✅ | ✅ | ✅ | PA2 | ADIN3 |
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| 3 | ✅ | ✅ | ✅ | PA3 | ADIN4 |
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| 4 | ✅ | ✅ | ❌ | PA4 | ADIN5 |
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| 5 | ✅ | ✅ | ❌ | PA5 | ADIN6 |
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| 6 | ✅ | ✅ | ❌ | PA6 | ADIN7 |
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| 7 | ✅ | ✅ | ❌ | PA7 | ADIN8 |
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| 8 | ✅ | ✅ | ❌ | PB0 | |
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| 9 | ✅ | ✅ | ❌ | PB1 | |
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### UART 引脚使用
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| UART编号 | STM32 UART | TX | RX |
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| ST_UART0 | USART1 | PA9 | PA10 |
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| ST_UART1 | USART2 | PD5 | PD6 |
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| ST_UART2 | USART3 | PB10 | PB11 |
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| ST_UART3 | USART4 | PC10 | PC11 |
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| ST_UART4 | USART5 | PC12 | PD2 |
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### SPI 引脚使用
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| UART编号 | STM32 UART | SCK | MISO | MOSI |
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| ------ | ---------- | ---- | ---- | ---- |
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| GD | SPI1 | PB3 | PB4 | PB5 |
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| CH395F | SPI2 | PB13 | PB14 | PB15 |
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### IIC 引脚使用
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| IIC 编号 | STM32 I2C | SCK | MISO | MOSI |
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| ------ | --------- | --- | ---- | ---- |
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| SD | SPI1 | PB3 | PB4 | PB5 |
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## 启动模式设置（Flash 启动）
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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。
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| 138 BOOT0 | 48 BOOT1 | 启动模式 | 说明 |
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| 0 | X | Flash 启动 | 程序正常从 flash 运行 |
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| 1 | 0 | 系统存储器 | 用于串口下载代码 |
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| 1 | 1 | SRAM 启动 | 用于在SRAM中调试代码 |
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