嵌入式MCU和计量IC组合解决方案

嵌入式功率计或分表为各种产品提供能源监控功能，如智能插头，家用电器和其他耗电设备。对于产品设计人员而言，提供这些分表功能的挑战通常更多地取决于设计的简易性以及功率测量所需的精度。在构建有效的分表解决方案时，工程师可以使用ADI，Atmel，Freescale Semiconductor，Maxim Integrated，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的各种集成器件，实现简单性和复杂性之间的平衡。

物联网（IoT）等趋势有望大大提高电子传感和控制的分辨率，智能设备的扩散几乎可以渗透到生活的各个方面。子电表提供了大致相同的改进，为房主和商业运营商提供了关于单个产品消耗的电力的细粒度信息。这些设备不是通过电力公用事业计量表测量的总功耗，而是帮助个人更好地了解家庭和设施中能源消耗的来源和原因。

然而，所有电表的基础，电压和电流的可靠测量对于计算各种重要参数（包括有功，无功和视在能量）至关重要;有功，无功和视在功率;功率因数;峰值电流和电压;和RMS电流和电压。除了这些通用功能之外，随着开发人员对连接，安全性和监控功能的要求不断提高，智能电表设计的复杂性也在不断提高（图1）。

图1：随着对精度，连接性，安全性和附加功能的更高需求，能量计复杂性也随之增加。 （由德州仪器公司提供）

相比之下，子电表保持更为适度的要求，并以尽可能低的成本争取足够的能力。在许多情况下，子电表设计可以将要求降低到基本能量测量，利用嵌入子电表功能的主机应用程序中包含的连接性，安全性和其他功能。此外，功率测量和各种导出参数的准确度随能量计的类型而显着变化。公用事业公司用于计费目的的功率计通常要求0.1％的准确度（0.1米级）。相比之下，嵌入在电器和智能插头中的电能表在向用户提供合适的功耗信息方面具有明显更宽松的精度要求。

虽然能量计算在高端仪表中非常复杂和广泛，但所有能量计量设计都从测量瞬时电压和电流开始。因此，在最基本的形式中，能量测量设计需要换能器来感测电压和电流值，模拟前端（AFE）用于捕获来自传感器的数据，处理单元用于执行能量测量计算，以及一些机制显示这些结果或将数据传输到更高级别的应用程序（图2）。在子表中，简单的电阻分压器可用作电压传感器。对于电流传感器，设计人员通常可以使用分流电阻 - 或在需要隔离时采用电流互感器或Rogowski线圈。

图2：简单的要求简化了分表和其他非计费能量计量应用的设计复杂性，甚至无需单独的模拟前端 - 当具有集成模拟外设的MCU能够提供足够的精度时结束。 （由飞思卡尔半导体公司提供）

对于精度要求不太严格的子测量应用，带有集成模数转换器（ADC）和其他片上外设的MCU非常适合构建简单而有效的子电表设计。例如，德州仪器（TI）MSP430AFE253超低功耗混合信号MCU集成了三个独立的24位Σ-ΔA/D转换器，具有差分PGA输入，一个16位定时器，一个16位硬件乘法器，USART通信接口，看门狗定时器和11个I/O引脚。

飞思卡尔半导体推出自己的MCF51EM256 MCU，作为智能电表芯片。凭借其集成的32位ColdFire MCU，16位ADC和计量专用外设，MCF51EM256针对电能计量应用进行了优化 - 甚至包括用于本地测量显示的嵌入式LCD控制器。通过这些集成的MCU，电能计量使用片上模拟处理功能进行测量，并使用处理器内核进行能量计算。因此，使用这些设备的工程师只需添加一些外部组件即可构建完整的能量测量设计（图3）。

图3：借助集成ADC，德州仪器（TI）MSP430AFE253等MCU为嵌入式电能计量提供了一种简单而有效的解决方案。 （德州仪器公司提供）

当需要更精确的测量时，集成的MCU（如飞思卡尔Kinetis MKM33计量MCU）可以提供0.1％精度的功率计算。 MDK33 MCU基于32位ARM Cortex-M0 +内核，集成了高精度24位Σ-ΔADC，12通道16位SAR ADC，可编程增益放大器和高精度电压基准。

多核MCU的出现为更复杂的单芯片子电表设计提供了极具吸引力的解决方案。利用多核器件，设计人员可以完成复杂应用的执行，而不会影响能量测量。在这种方法中，一个核心可以用作能量测量的实时处理器，而另一个核心可以仅关注高级应用程序处理。例如，该公司SAM4CM系列的Atmel SAM4CMS8，SAM4CMS16和SAM4CMS32成员将一对ARM Cortex-M4 32位内核与片上电能计量AFE模块，以及广泛的嵌入式闪存，SRAM和芯片缓存。片上电能计量模块包括多个高分辨率Σ-ΔADC，电压基准，温度传感器和低噪声可编程增益放大器，能够适应各种电流和电压传感器。

虽然片上ADC和相关外设的使用可以满足许多分表要求，但要求更高测量精度的应用可以利用专用计量IC，这些IC专为基于MCU的设计提供智能AFE（参见图2）。与用于一般数据采集和信号调节的传统AFE不同，这些专用设备集成了模拟外设和数字信号处理功能，使他们能够计算并向主处理器提供关键能量测量。

例如，ADI公司的ADE7763（图4）电能计量IC集成了两个二阶16位Σ-Δ型ADC，一个数字积分器，一个参考电路，一个温度传感器，以及所有生成有源和视在电能测量，线电压周期测量以及电压和电流通道上的均方根计算所需的信号处理能力。该器件包括一个可选择的片上数字积分器，可为di/dt电流传感器（如Rogowski线圈）提供直接接口，无需外部模拟积分器，同时在电流和电压通道之间提供精确的相位匹配。

图4：专用的能量测量IC，例如ADI公司的ADE7763，增强了传统的模拟前端功能，具有执行复杂能量计算的专用功能，无需干预主处理器。 （由Analog Devices提供）

Maxim Integrated 71M6541D测量SoC集成了一个5 MHz 8051兼容的MPU内核，一个32位计算引擎，模拟外设，闪存，RAM，RTC，LCD驱动器，以及SPI接口等功能。该器件的模拟处理能力的核心是采用Maxim Integrated的单转换器技术，包括22位Δ-ΣADC，多个模拟输入，数字温度补偿和精密电压基准。结合32位计算引擎，这些片上模拟模块允许器件支持各种外部元件的计量应用。

同样，STMicroelectronics STPM01电能计量IC结合了Σ-ΔADC模块，电压基准，稳压器和固定功能DSP，可提供有功，无功和视在电能，以及RMS和瞬时电压值和当前。该器件在两个独立通道上执行并行A/D转换。反过来，转换后的数据被提供给内部DSP，内部DSP根据需要对这些信号进行滤波和积分，以提高分辨率并计算所需的测量值。

结论

分表设计可以显着提供与用于计费的高端公用事业计量表相比，要求更简单。嵌入式智能插头，电器和其他耗电产品，子电表设计可以利用各种可用的IC来满足各种精度要求。虽然具有集成模拟功能的MCU可以满足更宽松的精度要求，但MCU和专用电能计量IC的组合可提供更高精度的解决方案。利用可用的MCU和计量IC，工程师可以在任何目标应用中嵌入能量测量所需的设计简便性和测量能力之间找到所需的平衡。