基于90E46的單相智能電表設(shè)計(jì)方案

　　智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地發(fā)展之中，使得相應(yīng)的芯片技術(shù)也在日益提高。以市場需求量最大的單相智能電能表為例，其技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　計(jì)量準(zhǔn)確度要求越來越高，電流范圍越來越寬，從之前的5（20）A到現(xiàn)在的5（60）A，再到1（100）A，早期的計(jì)量芯片已無法滿足當(dāng)前電能表設(shè)計(jì)的要求，高精度、寬量程的計(jì)量芯片被廣泛應(yīng)用。

　　數(shù)據(jù)和事件處理要求越來越多，使得MCU的運(yùn)算能力和程序容量不斷提高，傳統(tǒng)的8-bit MCU會逐漸被32-bit MCU所取代。

　　智能電能表作為智能電網(wǎng)的最終節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)通信要求越來越強(qiáng)，對外的通信方式有RS485、PLC、紅外，并且要求各通信接口相互獨(dú)立并能同時運(yùn)行；這要求用于電能表設(shè)計(jì)的MCU具有豐富的硬件通信接口。

　　IDT的90E46就是順應(yīng)智能電能表的這種發(fā)展趨勢，在業(yè)界推出的第一款集成硬件高精度寬量程計(jì)量模塊，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU內(nèi)核，LCD驅(qū)動和帶溫度補(bǔ)償功能的高精度實(shí)時時鐘（RTC）于一體真正意義上的系統(tǒng)級芯片（SoC）。在計(jì)量動態(tài)范圍5000:1 內(nèi)，有功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于 0.1%，無功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%，且只需要單點(diǎn)校準(zhǔn)；實(shí)時時鐘誤差小于±0.5秒/天。

　　90E46芯片與硬件設(shè)計(jì)

　　90E46芯片簡介

　　90E46是業(yè)界集成度最高的高精度寬量程單相電能計(jì)量SoC，在IDT既有的寬量程計(jì)量模擬前端（AFE）的基礎(chǔ)上，集成了ARM Cortex-M0微處理器、LCD驅(qū)動和帶溫度補(bǔ)償功能的高精度實(shí)時時鐘（RTC），可以減少單相電能表的元器件數(shù)量，簡化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程，降低材料成本和庫存管理難度。

　　90E46具有下列特性：

　　32位 ARM Cortex M0 內(nèi)核，6KB RAM， 128KB Flash；

　　4路獨(dú)立UART，UART0支持紅外調(diào)制（IR），UART3支持硬件ISO7816協(xié)議；

　　集成硬件看門狗（WDT），支持中斷功能；

　　2路25位通用PWM；

　　1路14位低功耗PWM，用于紅外喚醒；

　　2路16位定時器

　　最多45個GPIOs，23個支持5V輸入；

　　4個外部中斷輸入，可用于系統(tǒng)喚醒；

　　2路12位GPADC，集成高精度參考電壓源和閾值比較電路；

　　1路低功耗電壓比較器，用于芯片掉電檢測；

　　芯片支持運(yùn)行模式、睡眠模式、待機(jī)模式和LCD顯示模式；

　　內(nèi)置PLL電路，外部只需32.768kHz晶體即可工作；

　　符合IEC和ANSIC標(biāo)準(zhǔn)要求；可用于單相1級、2級有功電能表和2級無功電能表；

　　在計(jì)量動態(tài)范圍5000:1內(nèi)有功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于 0.1%，無功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%；

　　片內(nèi)參考電壓源的溫度系數(shù)典型值 6 ppm/ ℃；

　　電參數(shù)測量：電壓/電流有效值、平均功率、頻率、功率因數(shù)和相角的引用誤差低于0.5%；

　　在整個動態(tài)范圍內(nèi)只需要單點(diǎn)校準(zhǔn)，可用于50Hz 和 60Hz電網(wǎng)；

　　片內(nèi)溫度傳感器在-40 ℃~ +85 ℃范圍內(nèi)準(zhǔn)確度±1 ℃；

　　片內(nèi)硬件RTC帶頻率補(bǔ)償功能。補(bǔ)償范圍：-3900ppm 到3900ppm，補(bǔ)償精度±0.12ppm；

　　內(nèi)置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驅(qū)動器，含偏置電壓生成電路；

　　工作溫度：-40℃~+85℃；

　　TQFP100 綠色封裝。

　　90E46的功能框圖如圖1所示：

　　圖1 90E46功能框圖

　　硬件設(shè)計(jì)

　　90E46采用了高集成度的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，外部只需要少量器件就可以實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)功能。整個MCU小系統(tǒng)如圖2所示：

　　圖2 90E46 小系統(tǒng)電路

　　寬量程電能表的校準(zhǔn)和軟件設(shè)計(jì)

　　測量/計(jì)量校準(zhǔn)

　　采用90E46設(shè)計(jì)的單相電能表，只需要在Ib電流點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，即可保證5000:1動態(tài)范圍內(nèi)的計(jì)量準(zhǔn)確度。對于1（100）A的電能表，可以在5A（或10A）電流下進(jìn)行校表，同樣可以滿足整個電流范圍內(nèi)的計(jì)量準(zhǔn)確度。整個校表流程如圖3所示：

　　圖3 90E46 校表流程