高度集成的解決方案的嵌入式電力儀表設(shè)計(jì)

嵌入式功率計(jì)或submeters，提供能量監(jiān)控功能，個(gè)別產(chǎn)品如智能插頭，家電，和其他耗電的單位。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在提供這些輔助計(jì)量能力的挑戰(zhàn)往往更依賴于易用性設(shè)計(jì)不亞于功率測(cè)量的精度要求。在建立有效的輔助計(jì)量解決方案，工程師們可以利用廣泛的集成設(shè)備從廠家尤其包括亞德諾半導(dǎo)體，Atmel公司，飛思卡爾半導(dǎo)體，美信集成，意法半導(dǎo)體和德州儀器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和復(fù)雜性所要求的平衡。

趨勢(shì)，如物聯(lián)網(wǎng)（IOT）互聯(lián)網(wǎng)的承諾，大大磨礪電子檢測(cè)和控制技術(shù)與深入到生活的幾乎每一個(gè)方面的智能設(shè)備的擴(kuò)散的分辨率。 Submeters提供很多相同種類細(xì)化，提供業(yè)主和經(jīng)營(yíng)者對(duì)動(dòng)力由個(gè)別產(chǎn)品消費(fèi)細(xì)粒度的信息。通過上電電表測(cè)得的總功耗相反，這些設(shè)備幫助個(gè)人更好地了解的來源和理由在自己的家園和設(shè)施的能源消耗。

基本所有能量米，然而，電壓和電流的可靠的測(cè)量是用于各種重要的參數(shù)，包括有功，無(wú)功，和視在功率計(jì)算關(guān)鍵的;有功，無(wú)功和視在功率;功率因數(shù);峰值電流和電壓;電流和電壓和RMS。除了這些通用功能，智能電表設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜演變?yōu)殚_發(fā)商找到連接，安全和監(jiān)控功能不斷增長(zhǎng)的需求。

德州儀器能源米的復(fù)雜圖像

與此相反，submeters保持更溫和的要求，并在盡可能低的成本爭(zhēng)取足夠的能力。在許多情況下，亞米級(jí)設(shè)計(jì)可以削減要求下降到基本能量測(cè)量，以連通性，安全性，并在嵌入亞米級(jí)功能的主機(jī)應(yīng)用程序并入其它特征的優(yōu)點(diǎn)。此外，各種衍生參數(shù)功率測(cè)量和精度與電能表的類型顯著而變化。計(jì)費(fèi)目的而使用電力公司電力儀表一般需要0.1％的精度（0.1級(jí)米）。與此相反，嵌入家電和智能插頭電表在為用戶提供合適的功耗信息顯著更寬松的精度要求。

雖然能量計(jì)算可以是相當(dāng)復(fù)雜和高端米廣泛的，所有能源計(jì)量設(shè)計(jì)開始，瞬時(shí)電壓和電流測(cè)量。因此，在其最基本的形式中，能量測(cè)量設(shè)計(jì)需要的換能器以感測(cè)電壓和電流值，模擬前端（AFE）來捕獲來自傳感器的數(shù)據(jù)，處理單元以執(zhí)行能量測(cè)量計(jì)算，并且一些機(jī)制來顯示這些結(jié)果或?qū)?shù)據(jù)發(fā)射到較高等級(jí)的應(yīng)用。在submeters，簡(jiǎn)單的電阻分壓器可以用作電壓傳感器。對(duì)于電流傳感器，設(shè)計(jì)人員可以通常使用分流電阻器 - 或?qū)㈦娏骰ジ衅骰蛄_氏線圈時(shí)，隔離是必要的。

飛思卡爾MCU的圖像的集成模擬外設(shè)

對(duì)于輔助計(jì)量的應(yīng)用不太嚴(yán)格的精度要求，MCU的集成模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和其他的片上外設(shè)的良好適合于建立簡(jiǎn)單而有效的亞米級(jí)的設(shè)計(jì)。例如，德州儀器MSP430AFE253超低功耗混合信號(hào)微控制器集成了三個(gè)獨(dú)立的24位Σ-ΔA / D與差分PGA輸入轉(zhuǎn)換器，1個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)16位的硬件乘法器，USART通信接口，看門狗定時(shí)器和11個(gè)I / O引腳。

飛思卡爾半導(dǎo)體大鈔自己的MCF51EM256 MCU作為智能電表片上。憑借其集成的32位ColdFire MCU，16位ADC和計(jì)量專用外設(shè)，MCF51EM256是優(yōu)化能源計(jì)量應(yīng)用 - 甚至包括用于測(cè)量本地顯示嵌入式LCD控制器。用這些集成的M??CU，電能計(jì)量用來測(cè)量和處理器核心能量計(jì)算片上的模擬處理功能。因此，使用這些設(shè)備的工程師只需要增加一些外部元件即可構(gòu)建完整的電能測(cè)量設(shè)計(jì)。

德州儀器MSP430AFE253的圖

當(dāng)更精確的測(cè)量是必需的，集成的MCU如飛思卡爾Kinetis產(chǎn)品MKM33計(jì)量微控制器能提供的功率計(jì)算與0.1％的精度?；?2位ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，MDK33 MCU集成了高精度24位Σ-ΔADC，12通道16位SAR ADC，可編程增益放大器和高精度電壓基準(zhǔn)。

多核MCU的出現(xiàn)提供了更先進(jìn)的單芯片亞米級(jí)設(shè)計(jì)一個(gè)有吸引力的解決方案。隨著多核器件，設(shè)計(jì)人員可以完成執(zhí)行復(fù)雜的應(yīng)用程序不會(huì)影響電能計(jì)量。在這種方法中，一個(gè)芯可以被用作能量測(cè)量一個(gè)實(shí)時(shí)處理器，而另一個(gè)核可以只專注于高級(jí)別應(yīng)用處理。例如，該公司的SAM4CM家庭愛特梅爾SAM4CMS8，SAM4CMS16和SAM4CMS32成員結(jié)合了對(duì)ARM的Cortex-M4 32位內(nèi)核與片上電能計(jì)量AFE模塊，以及廣泛的嵌入式閃存，SRAM和導(dǎo)通高速緩存芯片。片上能量計(jì)量模塊包括多個(gè)高分辨率Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓源，溫度傳感器，及低噪聲可編程增益放大器能夠容納各種電流和電壓傳感器。

雖然使用片上ADC和相關(guān)外圍設(shè)備，可滿足多種輔助計(jì)量的要求，需要更大的測(cè)量精度的應(yīng)用程序可以利用的設(shè)計(jì)工作，智能的AFE的MCU為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)專用計(jì)量IC的優(yōu)勢(shì)。不同于一般的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理傳統(tǒng)的AFE，這些專業(yè)的設(shè)備集成模擬外設(shè)和數(shù)字信號(hào)處理能力，使他們能夠計(jì)算并提供重點(diǎn)用能測(cè)量到主處理器。

例如，在ADI ADE7763的能源計(jì)量IC集成兩個(gè)二階，16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個(gè)數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所需要的所有信號(hào)處理功能，以產(chǎn)生活性和視在功率的測(cè)量，線路電壓周期的測(cè)量，并且有效值計(jì)算上的電壓和電流通道。該裝置包括一個(gè)可選擇的片數(shù)字積分，提供了一個(gè)直接連接的di / dt電流傳感器例如羅氏線圈，省去了外部的模擬積分，同時(shí)提供的電流和電壓通道之間的精確的相位匹配。

ADI公司的ADE7763圖

的美信集成71M6541D計(jì)量的SoC集成了一個(gè)5兆赫8051兼容MPU內(nèi)核，一個(gè)32位的計(jì)算引擎，模擬外設(shè)，閃存，RAM，RTC，LCD驅(qū)動(dòng)器，和SPI接口，以及其他功能。在它的模擬處理能力的心臟設(shè)備采用Maxim的集成的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)，包括22位Δ-ΣADC，多路模擬輸入，數(shù)字溫度補(bǔ)償和精密電壓基準(zhǔn)。在與32位計(jì)算引擎相結(jié)合，這些片上模擬模塊使得器件能夠支持廣泛的計(jì)量應(yīng)用與極少的外部元件。

同樣，意法半導(dǎo)體STPM01電能計(jì)量IC結(jié)合Σ-ΔADC模塊，參考電壓，電壓調(diào)節(jié)器和固定功能的DSP提供有功，無(wú)功和視在功率，以及均方根電壓和電流的瞬時(shí)值。該裝置對(duì)兩個(gè)獨(dú)立通道并行A / D轉(zhuǎn)換。反過來，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被提供給DSP內(nèi)部，它過濾，并根據(jù)需要來提高分辨率，并計(jì)算所需的測(cè)量值結(jié)合的那些信號(hào)。

結(jié)論

相比于用于計(jì)費(fèi)高端電表輔助計(jì)量設(shè)計(jì)，可呈現(xiàn)顯著簡(jiǎn)單的??要求。嵌入式智能插頭，電器等高耗電產(chǎn)品，亞米級(jí)的設(shè)計(jì)可以充分利用各種可用的芯片，以滿足一個(gè)非常廣泛的精度要求。雖然微控制器集成模擬功能，可滿足更寬松的精度要求，MCU和專用的電能計(jì)量IC的結(jié)合提供了更加準(zhǔn)確的解決方案。利用現(xiàn)有MCU和計(jì)量IC，工程師們可以找到嵌入到任何目標(biāo)應(yīng)用能源計(jì)量要求的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性和測(cè)量功能之間所需的平衡。