基于雙功能電能計(jì)量IC實(shí)現(xiàn)三相電表的應(yīng)用設(shè)計(jì)

近年來(lái)，市場(chǎng)上固定功能的電表集成電路（IC）不斷增多，這使得在電表設(shè)計(jì)方面保持競(jìng)爭(zhēng)力變得越來(lái)越困難。許多模擬前端（AFE）電能計(jì)量IC都采用△-∑ ADC，并通過(guò)基于ROM的固定功能狀態(tài)機(jī)來(lái)計(jì)算功率輸出。這些IC不能進(jìn)行修改，也不能用于電能測(cè)量之外的其他功能。

數(shù)字計(jì)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(yùn)行，具有固定的輸出精度。雖然這些器件可以良好地執(zhí)行它們的固定功能，但這種方案對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)不夠靈活。

圖1a 典型的基于ROM的電表設(shè)計(jì)

圖1b 消除電能計(jì)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(jì)量IC作為執(zhí)行這些功能的開(kāi)源解決方案；現(xiàn)在，他們以△-∑可配置閃存設(shè)計(jì)的形式提供解決方案。本文介紹了一個(gè)完整的電表設(shè)計(jì)示例，使用大約7 KB的程序字來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的三相電表IC。該設(shè)計(jì)由中斷驅(qū)動(dòng)，僅使用50%的中斷處理時(shí)間（系統(tǒng)的電源頻率為60 Hz，每個(gè)周期進(jìn)行128次采樣）。在130μs的時(shí)間窗中，大約65μs的時(shí)間用于全部三相的計(jì)算，包括失調(diào)電壓、增益和相電壓的校準(zhǔn)，以及LSB的調(diào)整。高精度電表設(shè)計(jì)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(jī)（MCU）上執(zhí)行這種數(shù)學(xué)計(jì)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(yōu)點(diǎn)，本文將對(duì)此進(jìn)行介紹。

基于ROM的電表設(shè)計(jì)需要依靠外部存儲(chǔ)器進(jìn)行電表校準(zhǔn)，并智能加載狀態(tài)機(jī)，這是一種成本較高的兩階段方案。信號(hào)流的第三個(gè)階段必須將校準(zhǔn)常量裝入固定功能的電能計(jì)量IC中。通過(guò)將基于ROM的AFE中的計(jì)算功能與基于閃存的中央MCU相結(jié)合，可以省去其中的一個(gè)階段。電表校準(zhǔn)算法和常量可以全部包含在一個(gè)階段中，這有助于減少IC數(shù)量和降低系統(tǒng)成本。

電表精度要求可靠的模擬性能

在做出關(guān)于計(jì)算和電表校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)決定之前，設(shè)計(jì)師必須確定模擬設(shè)計(jì)是可靠的。系統(tǒng)的模擬和ADC性能最終會(huì)限制電表的整體精度。在設(shè)計(jì)趨勢(shì)的推動(dòng)下，分流電流和信號(hào)越來(lái)越小，所以ADC噪聲較低、分辨率較高的電能計(jì)量IC會(huì)更符合市場(chǎng)的需求。要開(kāi)發(fā)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的電表（包括0.5和0.1級(jí)電表），低噪聲、串?dāng)_可忽略、具有優(yōu)良線性度的16位雙通道ADC會(huì)是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的起點(diǎn)。

Microchip Technology的MCP3909電能計(jì)量IC是一款△-∑器件，特別針對(duì)符合以上條件的電能計(jì)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它包含有靈活的數(shù)字模塊和通信通路。該IC的兩個(gè)板載16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪失真比（SINAD）為82 dB，支持遠(yuǎn)超出IEC要求的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。該IC的板載PGA（增益可達(dá)32 V/V）支持如下面所示的信號(hào)大小和測(cè)量誤差精度。此外，器件還允許設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

該器件可以與MCU配合使用，也可以用作獨(dú)立的計(jì)量解決方案。在某些情況下，電表設(shè)計(jì)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(jì)算功能就足夠了。執(zhí)行有功功率計(jì)算，并產(chǎn)生脈沖輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器，具有這種固定功能的DSP模塊在行業(yè)中已取得了很大的成功。目前，這種脈沖輸出計(jì)算模塊已經(jīng)成為了業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，MCP3909 IC中正包含了這種模塊。數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的電表采用了這種單芯片方案，該方案只需要單點(diǎn)校準(zhǔn)。在分立式和基于MCU的電表中都可以使用此類設(shè)計(jì)，這種靈活性可以極大地幫助電表制造商進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證和測(cè)試。

此外，使單個(gè)電表IC適用于多種電表設(shè)計(jì)可以讓電表設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

雙功能電能計(jì)量IC

這種設(shè)計(jì)概念通過(guò)雙功能引腳實(shí)現(xiàn)，雙功能引腳使設(shè)計(jì)師可以直接訪問(wèn)△-∑ ADC和乘法器輸出。這種方案為電能計(jì)量IC和閃存MCU之間的交互帶來(lái)很大的靈活性。由于可以直接訪問(wèn)電壓、電流和功率ADC輸出，數(shù)字計(jì)算功能現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到閃存MCU中，閃存MCU可以同時(shí)用作計(jì)算引擎和中央處理器。

設(shè)計(jì)示例：三相電表設(shè)計(jì)

圖3顯示了一個(gè)三相電表參考設(shè)計(jì)示例，它使用了Microchip的MCP3909和PIC18F系列高端8位單片機(jī)（MCP3909-3PH18F-RD1）。該示例將可直接訪問(wèn)的△-∑電能計(jì)量IC與低成本閃存電表計(jì)算引擎相結(jié)合，從而節(jié)省元件成本并簡(jiǎn)化電表校準(zhǔn)與設(shè)計(jì)。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(guò)串行接口訪問(wèn)，就如它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)的基于ROM的電表計(jì)量IC中一樣。

圖3 閃存中的電能輸出和校準(zhǔn)寄存器

該設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于，進(jìn)行電表校準(zhǔn)之后，可串行訪問(wèn)的寄存器中包含以精確功率單位表示的數(shù)值。寄存器的十進(jìn)制值表示功率量的十進(jìn)制值。對(duì)于功率，可用的寄存器位寬最高為48位；對(duì)于電能，可用的寄存器位寬最高為64位。例如，名稱以“W”結(jié)尾的寄存器對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的瓦特值。以“VA”結(jié)尾的寄存器包含給定相的伏安值——“I”表示所測(cè)量的RMS電流，“V”表示所測(cè)量的RMS電壓。

LSB校正這一概念讓設(shè)計(jì)師可以通過(guò)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件設(shè)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(shí)）的LSB量。例如，給定輸出寄存器中的數(shù)值為1234時(shí)，表示1234瓦特或1.234千瓦。與其他計(jì)量器系統(tǒng)、模塊或輸出顯示器（例如LCD）接口時(shí)，可以極大地簡(jiǎn)化電表固件的設(shè)計(jì)。

小數(shù)點(diǎn)位置（即功率量的分辨率）由在該設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)軟件的電表設(shè)計(jì)部分輸入的值決定。在通過(guò)軟件自動(dòng)對(duì)電表進(jìn)行校準(zhǔn)的步驟中，將會(huì)計(jì)算出正確的LSB校正因數(shù)，以確保最低有效位表示給定量的最低有效數(shù)字。

軟件中的電表設(shè)計(jì)對(duì)話框允許用戶輸入具體的電表參數(shù)。對(duì)于任意給定的電表生產(chǎn)批次，可以在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行自定義，為RMS或有功功率計(jì)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(chǎn)電表時(shí)通過(guò)軟件/閃存接口簡(jiǎn)便地更改。

USB電表數(shù)據(jù)讀取/校準(zhǔn)

對(duì)于高級(jí)電表設(shè)計(jì)，電表所需的校正因數(shù)不僅在生產(chǎn)時(shí)在電表外部計(jì)算，而且還通過(guò)軟件和校準(zhǔn)設(shè)備在校準(zhǔn)期間進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)USB與電表校準(zhǔn)軟件進(jìn)行通信更符合實(shí)際需求，因?yàn)楝F(xiàn)在的許多PC已經(jīng)沒(méi)有曾經(jīng)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(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。進(jìn)行電表校準(zhǔn)時(shí)，通常要控制10至50個(gè)電表的校準(zhǔn)電壓和電流。使用RS-232時(shí)，通過(guò)單個(gè)控制校準(zhǔn)的PC無(wú)法與多個(gè)電表進(jìn)行通信。

電表的USB監(jiān)視與校準(zhǔn)軟件具有一些優(yōu)于傳統(tǒng)串行與并行軟件解決方案的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括：連接能力提高、通信帶寬更寬，以及可為多個(gè)電表供電。此外，使用USB還可以快速地從多個(gè)電表收集數(shù)據(jù)。

圖4顯示的是利用Microchip公司免費(fèi)的USB電表軟件通過(guò)前面介紹的閃存PIC18F和MCP3909電能計(jì)量IC示例進(jìn)行電表校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)讀取。對(duì)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(zhǔn)軟件

該開(kāi)源USB軟件具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)功能，包括能夠存儲(chǔ)和讀取電表校準(zhǔn)狀態(tài)。閃存MCU中包含一些校準(zhǔn)狀態(tài)寄存器，軟件使用這些寄存器來(lái)標(biāo)記一些特定功率量是否已校準(zhǔn)。相校準(zhǔn)狀態(tài)使用$圖標(biāo)標(biāo)記，如圖4所示。這種校準(zhǔn)方式只能用于基于閃存的電表計(jì)算引擎，不能由基于ROM的電表IC執(zhí)行。此外，系統(tǒng)還會(huì)跟蹤哪相被選擇為標(biāo)準(zhǔn)相，用于在校準(zhǔn)期間進(jìn)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(shí)需要考慮的一個(gè)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(hù)電表設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）。針對(duì)特定客戶需求進(jìn)行修改之后，如果電表計(jì)算引擎中包含電表制造商希望針對(duì)最終客戶保護(hù)的IP，有一些選項(xiàng)可用于實(shí)現(xiàn)代碼安全性。

有一種安全性級(jí)別可以對(duì)存儲(chǔ)器算法進(jìn)行鎖定，禁止通過(guò)串行端口讀取一些存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容。對(duì)MCU存儲(chǔ)器的一些區(qū)域設(shè)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(wèn)受保護(hù)的區(qū)域，例如保存校準(zhǔn)和校正因數(shù)的那些區(qū)域。此外，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的加密算法，例如高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）和微型加密算法2（XTEA）。

安全的協(xié)作式公用儀表設(shè)計(jì)

保護(hù)協(xié)作式公用事業(yè)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)也是一個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)電表計(jì)算引擎進(jìn)行自定義會(huì)在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生額外的IP。在公用儀表中，計(jì)量器設(shè)計(jì)事務(wù)所、軟件IP供應(yīng)商、傳感器模塊和OEM可能各自具有自己的IP，而最終的計(jì)量器中可能包含二至三種嵌入式MCU，每種具有不同的計(jì)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(huì)增加最終客戶和公用事業(yè)公司的成本。

可以將多個(gè)IP區(qū)域整合到單個(gè)器件中，同時(shí)對(duì)各個(gè)代碼區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立保護(hù)，并將解決方案集成到單個(gè)16位MCU或數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）中。這種在單個(gè)器件上整合IP的協(xié)作式方案可以保護(hù)各方的IP，并且可以較低的成本提供最終的產(chǎn)品。

電表設(shè)計(jì)的新選擇

今天，可供選擇的閃存MCU和模擬產(chǎn)品非常廣泛，這為電表設(shè)計(jì)提供了許多令人激動(dòng)的新途徑。近年來(lái)，出現(xiàn)了只有6個(gè)引腳的小尺寸閃存MCU，單價(jià)低于0.40美元，這為低成本的單相電表校準(zhǔn)提供了新的可能性。此外，采用模塊化的AFE計(jì)算模塊，還可以簡(jiǎn)便地開(kāi)發(fā)更高端的16位和32位電表；這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的校準(zhǔn)技術(shù)和更快速的電表生產(chǎn)。采用△-∑ ADC技術(shù)的高精度、靈活的AFE，配合閃存MCU的智能，為創(chuàng)新性的單相和三相電表設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑。

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