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近年來，市場上固定功能的電表集成電路（IC）不斷增多，這使得在電表設計方面保持競爭力變得越來越困難。許多模擬前端（AFE）電能計量IC都采用△-∑ ADC，并通過基于ROM的固定功能狀態機來計算功率輸出。這些IC不能進行修改，也不能用于電能測量之外的其他功能。 數字計算模塊（例如有功功率、視在功率和RMS電流與電壓）的功能都是固定的，以固定頻率運行，具有固定的輸出精度。雖然這些器件可以良好地執行它們的固定功能，但這種方案對于設計師來說不夠靈活。 圖1a 典型的基于ROM的電表設計 圖1b 消除電能計量IC和閃存MCU之間的界線 以前，IC制造商只提供基于ROM的電能計量IC作為執行這些功能的開源解決方案；現在，他們以△-∑可配置閃存設計的形式提供解決方案。本文介紹了一個完整的電表設計示例，使用大約7 KB的程序字來實現完整的三相電表IC。該設計由中斷驅動，僅使用50%的中斷處理時間（系統的電源頻率為60 Hz，每個周期進行128次采樣）。在130μs的時間窗中，大約65μs的時間用于全部三相的計算，包括失調電壓、增益和相電壓的校準，以及LSB的調整。高精度電表設計的功率輸出寄存器最高需要48位，所以在低成本的8位單片機（MCU）上執行這種數學計算并非輕而易舉。這種閃存方案具有很大的靈活性，相比基于ROM的電表IC具有很多優點，本文將對此進行介紹。 基于ROM的電表設計需要依靠外部存儲器進行電表校準，并智能加載狀態機，這是一種成本較高的兩階段方案。信號流的第三個階段必須將校準常量裝入固定功能的電能計量IC中。通過將基于ROM的AFE中的計算功能與基于閃存的中央MCU相結合，可以省去其中的一個階段。電表校準算法和常量可以全部包含在一個階段中，這有助于減少IC數量和降低系統成本。 電表精度要求可靠的模擬性能 在做出關于計算和電表校準的設計決定之前，設計師必須確定模擬設計是可靠的。系統的模擬和ADC性能最終會限制電表的整體精度。在設計趨勢的推動下，分流電流和信號越來越小，所以ADC噪聲較低、分辨率較高的電能計量IC會更符合市場的需求。要開發符合IEC標準的電表（包括0.5和0.1級電表），低噪聲、串擾可忽略、具有優良線性度的16位雙通道ADC會是一個堅實的起點。 Microchip Technology的MCP3909電能計量IC是一款△-∑器件，特別針對符合以上條件的電能計量應用而設計，它包含有靈活的數字模塊和通信通路。該IC的兩個板載16位模數轉換器的信噪失真比（SINAD）為82 dB，支持遠超出IEC要求的動態范圍測量。該IC的板載PGA（增益可達32 V/V）支持如下面所示的信號大小和測量誤差精度。此外，器件還允許設計師控制ADC和乘法器輸出，以及濾波器輸入。 圖2 靈活的通信支持高精度、模塊化的電表設計 該器件可以與MCU配合使用，也可以用作獨立的計量解決方案。在某些情況下，電表設計并不完全需要采用雙芯片方案。在這些情況下，保留電表IC中的功率計算功能就足夠了。執行有功功率計算，并產生脈沖輸出來驅動機械計數器，具有這種固定功能的DSP模塊在行業中已取得了很大的成功。目前，這種脈沖輸出計算模塊已經成為了業界的標準，MCP3909 IC中正包含了這種模塊。數以百萬計的電表采用了這種單芯片方案，該方案只需要單點校準。在分立式和基于MCU的電表中都可以使用此類設計，這種靈活性可以極大地幫助電表制造商進行設備認證和測試。 此外，使單個電表IC適用于多種電表設計可以讓電表設計師和制造商受益，并最終讓尋求可靠解決方案的電力公司受益。MCP3909器件的雙功能使它非常靈活，可適用于一系列廣泛的電表設計。 雙功能電能計量IC 這種設計概念通過雙功能引腳實現，雙功能引腳使設計師可以直接訪問△-∑ ADC和乘法器輸出。這種方案為電能計量IC和閃存MCU之間的交互帶來很大的靈活性。由于可以直接訪問電壓、電流和功率ADC輸出，數字計算功能現在可以轉移到閃存MCU中，閃存MCU可以同時用作計算引擎和中央處理器。 設計示例：三相電表設計 圖3顯示了一個三相電表參考設計示例，它使用了Microchip的MCP3909和PIC18F系列高端8位單片機（MCP3909-3PH18F-RD1）。該示例將可直接訪問的△-∑電能計量IC與低成本閃存電表計算引擎相結合，從而節省元件成本并簡化電表校準與設計。配置寄存器、功率與電能寄存器，以及RMS電流與電壓寄存器位于閃存MCU上。所有寄存器都可以通過串行接口訪問，就如它們在標準的基于ROM的電表計量IC中一樣。 圖3 閃存中的電能輸出和校準寄存器 該設計的獨特之處在于，進行電表校準之后，可串行訪問的寄存器中包含以精確功率單位表示的數值。寄存器的十進制值表示功率量的十進制值。對于功率，可用的寄存器位寬最高為48位；對于電能，可用的寄存器位寬最高為64位。例如，名稱以“W”結尾的寄存器對應于所測量的瓦特值。以“VA”結尾的寄存器包含給定相的伏安值——“I”表示所測量的RMS電流，“V”表示所測量的RMS電壓。 LSB校正這一概念讓設計師可以通過自動校準軟件設置寄存器的分辨率。寄存器分別表示功率（千瓦）、電壓（伏特）、電流（安培）和電能（千瓦時）的LSB量。例如，給定輸出寄存器中的數值為1234時，表示1234瓦特或1.234千瓦。與其他計量器系統、模塊或輸出顯示器（例如LCD）接口時，可以極大地簡化電表固件的設計。 小數點位置（即功率量的分辨率）由在該設計的校準軟件的電表設計部分輸入的值決定。在通過軟件自動對電表進行校準的步驟中，將會計算出正確的LSB校正因數，以確保最低有效位表示給定量的最低有效數字。 軟件中的電表設計對話框允許用戶輸入具體的電表參數。對于任意給定的電表生產批次，可以在生產時進行自定義，為RMS或有功功率計算增大ADC量程。其他電表常量（例如空載閾值限制）也可以在生產電表時通過軟件/閃存接口簡便地更改。 USB電表數據讀取/校準 對于高級電表設計，電表所需的校正因數不僅在生產時在電表外部計算，而且還通過軟件和校準設備在校準期間進行計算。通過USB與電表校準軟件進行通信更符合實際需求，因為現在的許多PC已經沒有曾經普遍使用的RS-232串行端口。RS-232僅支持每次與連接到總線上的一個設備進行通信。進行電表校準時，通常要控制10至50個電表的校準電壓和電流。使用RS-232時，通過單個控制校準的PC無法與多個電表進行通信。 電表的USB監視與校準軟件具有一些優于傳統串行與并行軟件解決方案的優點。這些優點包括：連接能力提高、通信帶寬更寬，以及可為多個電表供電。此外，使用USB還可以快速地從多個電表收集數據。 圖4顯示的是利用Microchip公司免費的USB電表軟件通過前面介紹的閃存PIC18F和MCP3909電能計量IC示例進行電表校準和數據讀取。對于兩種方案，軟件的接口均支持RS-232/485和USB。 圖4 MCP3909三相電表校準軟件 該開源USB軟件具有多項優勢功能，包括能夠存儲和讀取電表校準狀態。閃存MCU中包含一些校準狀態寄存器，軟件使用這些寄存器來標記一些特定功率量是否已校準。相校準狀態使用$圖標標記，如圖4所示。這種校準方式只能用于基于閃存的電表計算引擎，不能由基于ROM的電表IC執行。此外，系統還會跟蹤哪相被選擇為標準相，用于在校準期間進行相間增益匹配。 為了幫助防止電表篡改行為，采用該方案時需要考慮的一個重要方面就是代碼安全性和加密。除了防止篡改外，可能還需要保護電表設計的知識產權（IP）。針對特定客戶需求進行修改之后，如果電表計算引擎中包含電表制造商希望針對最終客戶保護的IP，有一些選項可用于實現代碼安全性。 有一種安全性級別可以對存儲器算法進行鎖定，禁止通過串行端口讀取一些存儲區的內容。對MCU存儲器的一些區域設置讀寫鎖定，可以防止其他代碼部分（例如RS-485或USB部分）訪問受保護的區域，例如保存校準和校正因數的那些區域。此外，還提供了標準的加密算法，例如高級加密標準（AES）和微型加密算法2（XTEA）。 安全的協作式公用儀表設計 保護協作式公用事業計量系統設計中的知識產權也是一個常見的挑戰，因為對電表計算引擎進行自定義會在設計中產生額外的IP。在公用儀表中，計量器設計事務所、軟件IP供應商、傳感器模塊和OEM可能各自具有自己的IP，而最終的計量器中可能包含二至三種嵌入式MCU，每種具有不同的計量功能和特定于不同公司的IP。使用多種具有不同IP的器件會增加最終客戶和公用事業公司的成本。 可以將多個IP區域整合到單個器件中，同時對各個代碼區域進行獨立保護，并將解決方案集成到單個16位MCU或數字信號控制器（DSC）中。這種在單個器件上整合IP的協作式方案可以保護各方的IP，并且可以較低的成本提供最終的產品。 電表設計的新選擇 今天，可供選擇的閃存MCU和模擬產品非常廣泛，這為電表設計提供了許多令人激動的新途徑。近年來，出現了只有6個引腳的小尺寸閃存MCU，單價低于0.40美元，這為低成本的單相電表校準提供了新的可能性。此外，采用模塊化的AFE計算模塊，還可以簡便地開發更高端的16位和32位電表；這些模塊協同工作，實現簡化的校準技術和更快速的電表生產。采用△-∑ ADC技術的高精度、靈活的AFE，配合閃存MCU的智能，為創新性的單相和三相電表設計開辟了新的途徑。 |
