嵌入式电能表设计的高度集成解决方案

半导体

本帖最后由 348081236 于 2016-2-26 10:14 编辑

嵌入式电能表或计量表，提供能源监测功能，个别产品如智能插座、家用电器、及其它用电单位。产品设计师，在提供这些辅助计量能力的挑战往往更依赖于易于设计尽可能需要的功率测量精度。建立有效的计量解决方案，工程师可以达到所需的平衡的简单性和复杂性的使用从制造商包括范围广泛的集成器件模拟设备，Atmel，飞思卡尔半导体，集成，意法半导体，和德克萨斯仪器，其中。

随着物联网（IoT）承诺大幅提高电子传感和控制大量智能设备到生活的几乎每一个方面的决议。计量表提供更细化的同类提供房主与个别产品消耗功率精细信息经营者。而不是通过功率测量仪表测量的总功耗，这些设备帮助个人更好地了解在自己的家园和设施的资源和能源消耗的原因。

基本所有的能量表，然而，电压和电流的测量是可靠的重要参数包括活跃，各种各样的无功计算的关键，和明显的能量；积极主动，反应，和视在功率；功率因数；峰值电流和电压；和RMS电压和电流。除了这些通用的功能，智能电能表的设计不断演变的复杂性，开发人员发现越来越多的要求进行连接，安全和监控功能（图1）。

图1：电能表的复杂性和准确性，连通性，安全的更大需求上升，和额外的功能。

相反，计量表保持较为温和的要求和争取足够的能力以尽可能低的成本。在许多情况下，电表的设计可以削下来的基本能量测量的要求，利用连通性，安全性，和其他功能包含在主机应用程序，将电表的功能。此外，功率测量及各种衍生参数的准确性与电能表类型明显不同。功率计用于公用事业公司计费的目的，通常需要百分之0.1的精度（0.1米级）。与此相反，电表嵌入式家电和智能插头为用户提供合适的电力消费信息有显着更轻松的精度要求。

虽然能量计算可以在高端米是相当复杂和广泛的，所有的能量计量设计开始与瞬态电压和电流的测量。因此，在其最基本的形式，能量测量的设计要求传感器感应电压和电流值，模拟前端（AFE）捕获的数据从传感器、处理单元进行能量测量计算，和一些机制来显示这些结果或数据传送到更高级别的应用程序（图2）。在计量表，简单的电阻分压器可作为电压传感器。电流传感器，设计者通常使用分流电阻–或将电流互感器或Rogowski线圈时，隔离是必需的。

图2：简单方便的要求设计复杂度的计量表和其他非计费电能计量应用，甚至取消单独的模拟前端的时候需要集成模拟外设MCU可以提供足够的精度。

为辅助计量应用不太严格的精度要求，MCU集成模拟数字转换器（ADC）和其他的片上外设，非常适合建立简单而有效的亚米级设计。例如，德克萨斯仪器msp430afe253超低功耗的混合信号处理器集成了三个独立的24位∑-ΔA/D转换器与微分PGA输入一个16位定时器、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。

飞思卡尔半导体账单自己mcf51em256单片机芯片的智能电表。其集成了32位ColdFire微处理器，16位ADC，计量专用外设，这mcf51em256是能源计量中的应用–甚至包括测量的地方显示一个嵌入式LCD控制器的优化。这些集成的MCU，能计量采用模拟处理能力能量计算测量处理器的核心。因此，使用这些设备的工程师只需要建立一个完整的能源计量设计添加很少的外部元件（图3）。

图3：集成了ADC、MCU如德克萨斯仪器msp430afe253提供一个简单而有效的嵌入式电能计量解决方案。

在更精确的测量是必需的，如Freescale Kinetis微控制器集成mkm33计量MCU可以提供百分之0.1的准确功率计算。基于ARM Cortex-M0内核，该mdk33单片机内部集成了24位高精度Sigma-Delta ADC，12通道的16位SAR ADC、可编程增益放大器、高精度电压参考。

多核MCU的出现提供了更先进的单片机亚米级设计一个有吸引力的解决方案。多核设备，设计者可以在不牺牲能源计量完成复杂的应用程序的执行。在这种方法中，一个核心可以作为一个实时处理器能量测量另一核心可完全集中在高层应用处理。例如，爱特梅尔sam4cms8，sam4cms16和sam4cms32该公司的成员sam4cm家庭相结合的双ARM Cortex-M4 32位内核，片上计量AFE模块，以及广泛的嵌入式闪存、SRAM、片上高速缓存。芯片上的电能计量模块包括多个高分辨率∑-ΔADC、参考电压、温度传感器、低噪声增益可编程放大器能够容纳各种各样的电流和电压传感器。

而片内ADC的使用及相关外围设备可以满足多种计量的要求，需要更大的测量精度，应用程序可以利用专用计量芯片的设计工作，为基于单片机设计的智能模拟前端（见图2）。不同于一般的数据采集和信号调理常规AFE，这些专业设备的集成模拟外设和数字信号处理能力，使他们能够计算并提供关键的能量测量主机处理器。

例如，模拟装置ADE7763（图4）电能计量芯片集成了两个二阶，16位Σ-ΔADC、数字积分器、参考电路、温度传感器和信号处理能力需要产生积极和明显的能源测量，线路电压测量期间，和RMS计算电压和电流通道。该装置包括一个可选择的片内数字积分器提供di / dt的电流传感器，如Rogowski线圈直接接口，消除外部模拟积分器的需要而提供精确的电流和电压通道之间的相位匹配。

图4：专用电能计量芯片如模拟设备ADE7763增加传统的模拟前端功能，而主机处理器干预进行复杂的能量计算专业功能。

美信集成71m6541d计量SOC集成了5 MHz的8051兼容单片机为核心，是一个32位的计算引擎，模拟外设、FLASH存储器、RAM、RTC、LCD驱动，和SPI接口，与其他能力。在模拟处理能力的装置使用集成的单换流器威廉希尔官方网站的心脏，包括22位∑-ΔADC，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，这些模拟块允许设备与极少的外部元件支持范围广泛的计量中的应用。

同样，意法半导体stpm01电能计量芯片结合Sigma-Delta ADC模块，参考电压，电压调节器，和一个固定功能的DSP提供积极的，反应，和明显的能源，以及有效值、电压和电流的瞬时值。设备执行并行独立的双通道A/D转换。反过来，转换后的数据提供给DSP内部的滤波器，将信号以提高分辨率和计算所需的测量值。

结论

计量的设计可以呈现显著的简单的要求相比，高端电表用于计费。嵌入式智能插头，电器，和其他耗电产品，电表的设计可以通过各种各样的电路满足非常广泛的精度要求。而集成模拟功能的MCU可以更轻松的精度要求，单片机和专用电能计量芯片的组合提供了更准确的解决方案。利用单片机、计量芯片，工程师可以找到所需的平衡设计的简单性和测量能力的要求将能源计量在任何目标应用程序之间。