采用△-∑ADC技術(shù)與閃存MCU搭配實現(xiàn)創(chuàng)新的電表設(shè)計

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(shè)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(tài)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(shù)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(zhí)行它們的固定功能，但這種方案對于設(shè)計師來說不夠靈活。

圖1a 典型的基于ROM的電表設(shè)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(zhí)行這些功能的開源解決方案；現(xiàn)在，他們以△-∑可配置閃存設(shè)計的形式提供解決方案。本文介紹了一個完整的電表設(shè)計示例，使用大約7 KB的程序字來實現(xiàn)完整的三相電表IC。該設(shè)計由中斷驅(qū)動，僅使用50%的中斷處理時間（系統(tǒng)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(diào)電壓、增益和相電壓的校準，以及LSB的調(diào)整。高精度電表設(shè)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(zhí)行這種數(shù)學(xué)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(yōu)點，本文將對此進行介紹。

基于ROM的電表設(shè)計需要依靠外部存儲器進行電表校準，并智能加載狀態(tài)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(jié)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(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)于計算和電表校準的設(shè)計決定之前，設(shè)計師必須確定模擬設(shè)計是可靠的。系統(tǒng)的模擬和ADC性能最終會限制電表的整體精度。在設(shè)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(fā)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(yōu)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(yīng)用而設(shè)計，它包含有靈活的數(shù)字模塊和通信通路。該IC的兩個板載16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪失真比（SINAD）為82 dB，支持遠超出IEC要求的動態(tài)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(shè)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(shè)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(shè)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(zhí)行有功功率計算，并產(chǎn)生脈沖輸出來驅(qū)動機械計數(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，這種脈沖輸出計算模塊已經(jīng)成為了業(yè)界的標準，MCP3909 IC中正包含了這種模塊。數(shù)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(shè)計，這種靈活性可以極大地幫助電表制造商進行設(shè)備認證和測試。

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

雙功能電能計量IC

這種設(shè)計概念通過雙功能引腳實現(xiàn)，雙功能引腳使設(shè)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(shù)字計算功能現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)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(shè)計示例：三相電表設(shè)計

圖3顯示了一個三相電表參考設(shè)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(jié)合，從而節(jié)省元件成本并簡化電表校準與設(shè)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(shè)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(shù)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(jié)尾的寄存器對應(yīng)于所測量的瓦特值。以“VA”結(jié)尾的寄存器包含給定相的伏安值——“I”表示所測量的RMS電流，“V”表示所測量的RMS電壓。

LSB校正這一概念讓設(shè)計師可以通過自動校準軟件設(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）的LSB量。例如，給定輸出寄存器中的數(shù)值為1234時，表示1234瓦特或1.234千瓦。與其他計量器系統(tǒng)、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(shè)計。

小數(shù)點位置（即功率量的分辨率）由在該設(shè)計的校準軟件的電表設(shè)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(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)計對話框允許用戶輸入具體的電表參數(shù)。對于任意給定的電表生產(chǎn)批次，可以在生產(chǎn)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(chǎn)電表時通過軟件/閃存接口簡便地更改。

USB電表數(shù)據(jù)讀取/校準

對于高級電表設(shè)計，電表所需的校正因數(shù)不僅在生產(chǎn)時在電表外部計算，而且還通過軟件和校準設(shè)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(xiàn)在的許多PC已經(jīng)沒有曾經(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設(shè)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(jiān)視與校準軟件具有一些優(yōu)于傳統(tǒng)串行與并行軟件解決方案的優(yōu)點。這些優(yōu)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)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(yōu)勢功能，包括能夠存儲和讀取電表校準狀態(tài)。閃存MCU中包含一些校準狀態(tài)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(tài)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(zhí)行。此外，系統(tǒng)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(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)（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(xiàn)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(qū)的內(nèi)容。對MCU存儲器的一些區(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）訪問受保護的區(qū)域，例如保存校準和校正因數(shù)的那些區(qū)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(xié)作式公用儀表設(shè)計

保護協(xié)作式公用事業(yè)計量系統(tǒng)設(shè)計中的知識產(chǎn)權(quán)也是一個常見的挑戰(zhàn)，因為對電表計算引擎進行自定義會在設(shè)計中產(chǎn)生額外的IP。在公用儀表中，計量器設(shè)計事務(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(yè)公司的成本。

可以將多個IP區(qū)域整合到單個器件中，同時對各個代碼區(qū)域進行獨立保護，并將解決方案集成到單個16位MCU或數(shù)字信號控制器（DSC）中。這種在單個器件上整合IP的協(xié)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(chǎn)品。

電表設(shè)計的新選擇

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)計提供了許多令人激動的新途徑。近年來，出現(xiàn)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(fā)更高端的16位和32位電表；這些模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)簡化的校準技術(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)計開辟了新的途徑。