单片机实现灵活创新的电表设计

　　近年来，市场上固定功能的电表集成电路（IC）不断增多，这使得在电表设计方面保持竞争力变得越来越困难。许多模拟前端（AFE）电能计量IC都采用△-∑ ADC，并通过基于ROM的固定功能状态机来计算功率输出。这些IC不能进行修改，也不能用于电能测量之外的其他功能。

　　数字计算模块（例如有功功率、视在功率和RMS电流与电压）的功能都是固定的，以固定频率运行，具有固定的输出精度。虽然这些器件可以良好地执行它们的固定功能，但这种方案对于设计师来说不够灵活。

　　图1a 典型的基于ROM的电表设计

　　图1b 消除电能计量IC和闪存MCU之间的界线

　　以前，IC制造商只提供基于ROM的电能计量IC作为执行这些功能的开源解决方案；现在，他们以△-∑可配置闪存设计的形式提供解决方案。本文介绍了一个完整的电表设计示例，使用大约7 KB的程序字来实现完整的三相电表IC。该设计由中断驱动，仅使用50%的中断处理时间（系统的电源频率为60 Hz，每个周期进行128次采样）。在130μs的时间窗中，大约65μs的时间用于全部三相的计算，包括失调电压、增益和相电压的校准，以及LSB的调整。高精度电表设计的功率输出寄存器最高需要48位，所以在低成本的8位单片机（MCU）上执行这种数学计算并非轻而易举。这种闪存方案具有很大的灵活性，相比基于ROM的电表IC具有很多优点，本文将对此进行介绍。

　　基于ROM的电表设计需要依靠外部存储器进行电表校准，并智能加载状态机，这是一种成本较高的两阶段方案。信号流的第三个阶段必须将校准常量装入固定功能的电能计量IC中。通过将基于ROM的AFE中的计算功能与基于闪存的中央MCU相结合，可以省去其中的一个阶段。电表校准算法和常量可以全部包含在一个阶段中，这有助于减少IC数量和降低系统成本。

　　电表精度要求可靠的模拟性能

　　在做出关于计算和电表校准的设计决定之前，设计师必须确定模拟设计是可靠的。系统的模拟和ADC性能最终会限制电表的整体精度。在设计趋势的推动下，分流电流和信号越来越小，所以ADC噪声较低、分辨率较高的电能计量IC会更符合市场的需求。要开发符合IEC标准的电表（包括0.5和0.1级电表），低噪声、串扰可忽略、具有优良线性度的16位双通道ADC会是一个坚实的起点。

　　Microchip Technology的MCP3909电能计量IC是一款△-∑器件，特别针对符合以上条件的电能计量应用而设计，它包含有灵活的数字模块和通信通路。该IC的两个板载16位模数转换器的信噪失真比（SINAD）为82 dB，支持远超出IEC要求的动态范围测量。该IC的板载PGA（增益可达32 V/V）支持如下面所示的信号大小和测量误差精度。此外，器件还允许设计师控制ADC和乘法器输出，以及滤波器输入。

　　图2 灵活的通信支持高精度、模块化的电表设计

　　该器件可以与MCU配合使用，也可以用作独立的计量解决方案。在某些情况下，电表设计并不完全需要采用双芯片方案。在这些情况下，保留电表IC中的功率计算功能就足够了。执行有功功率计算，并产生脉冲输出来驱动机械计数器，具有这种固定功能的DSP模块在行业中已取得了很大的成功。目前，这种脉冲输出计算模块已经成为了业界的标准，MCP3909 IC中正包含了这种模块。数以百万计的电表采用了这种单芯片方案，该方案只需要单点校准。在分立式和基于MCU的电表中都可以使用此类设计，这种灵活性可以极大地帮助电表制造商进行设备认证和测试。

　　此外，使单个电表IC适用于多种电表设计可以让电表设计师和制造商受益，并最终让寻求可靠解决方案的电力公司受益。MCP3909器件的双功能使它非常灵活，可适用于一系列广泛的电表设计。

　　双功能电能计量IC

　　这种设计概念通过双功能引脚实现，双功能引脚使设计师可以直接访问△-∑ ADC和乘法器输出。这种方案为电能计量IC和闪存MCU之间的交互带来很大的灵活性。由于可以直接访问电压、电流和功率ADC输出，数字计算功能现在可以转移到闪存MCU中，闪存MCU可以同时用作计算引擎和中央处理器。

　　设计示例：三相电表设计

　　图3显示了一个三相电表参考设计示例，它使用了Microchip的MCP3909和PIC18F系列高端8位单片机（MCP3909-3PH18F-RD1）。该示例将可直接访问的△-∑电能计量IC与低成本闪存电表计算引擎相结合，从而节省元件成本并简化电表校准与设计。配置寄存器、功率与电能寄存器，以及RMS电流与电压寄存器位于闪存MCU上。所有寄存器都可以通过串行接口访问，就如它们在标准的基于ROM的电表计量IC中一样。

　　图3 闪存中的电能输出和校准寄存器

　　该设计的独特之处在于，进行电表校准之后，可串行访问的寄存器中包含以精确功率单位表示的数值。寄存器的十进制值表示功率量的十进制值。对于功率，可用的寄存器位宽最高为48位；对于电能，可用的寄存器位宽最高为64位。例如，名称以“W”结尾的寄存器对应于所测量的瓦特值。以“VA”结尾的寄存器包含给定相的伏安值——“I”表示所测量的RMS电流，“V”表示所测量的RMS电压。

　　LSB校正这一概念让设计师可以通过自动校准软件设置寄存器的分辨率。寄存器分别表示功率（千瓦）、电压（伏特）、电流（安培）和电能（千瓦时）的LSB量。例如，给定输出寄存器中的数值为1234时，表示1234瓦特或1.234千瓦。与其他计量器系统、模块或输出显示器（例如LCD）接口时，可以极大地简化电表固件的设计。

　　小数点位置（即功率量的分辨率）由在该设计的校准软件的电表设计部分输入的值决定。在通过软件自动对电表进行校准的步骤中，将会计算出正确的LSB校正因数，以确保最低有效位表示给定量的最低有效数字。

　　软件中的电表设计对话框允许用户输入具体的电表参数。对于任意给定的电表生产批次，可以在生产时进行自定义，为RMS或有功功率计算增大ADC量程。其他电表常量（例如空载阈值限制）也可以在生产电表时通过软件/闪存接口简便地更改。

　　USB电表数据读取/校准

　　对于高级电表设计，电表所需的校正因数不仅在生产时在电表外部计算，而且还通过软件和校准设备在校准期间进行计算。通过USB与电表校准软件进行通信更符合实际需求，因为现在的许多PC已经没有曾经普遍使用的RS-232串行端口。RS-232仅支持每次与连接到总线上的一个设备进行通信。进行电表校准时，通常要控制10至50个电表的校准电压和电流。使用RS-232时，通过单个控制校准的PC无法与多个电表进行通信。

　　电表的USB监视与校准软件具有一些优于传统串行与并行软件解决方案的优点。这些优点包括：连接能力提高、通信带宽更宽，以及可为多个电表供电。此外，使用USB还可以快速地从多个电表收集数据。

　　图4显示的是利用Microchip公司免费的USB电表软件通过前面介绍的闪存PIC18F和MCP3909电能计量IC示例进行电表校准和数据读取。对于两种方案，软件的接口均支持RS-232/485和USB。

　　图4 MCP3909三相电表校准软件

　　该开源USB软件具有多项优势功能，包括能够存储和读取电表校准状态。闪存MCU中包含一些校准状态寄存器，软件使用这些寄存器来标记一些特定功率量是否已校准。相校准状态使用$图标标记，如图4所示。这种校准方式只能用于基于闪存的电表计算引擎，不能由基于ROM的电表IC执行。此外，系统还会跟踪哪相被选择为标准相，用于在校准期间进行相间增益匹配。

　　为了帮助防止电表篡改行为，采用该方案时需要考虑的一个重要方面就是代码安全性和加密。除了防止篡改外，可能还需要保护电表设计的知识产权（IP）。针对特定客户需求进行修改之后，如果电表计算引擎中包含电表制造商希望针对最终客户保护的IP，有一些选项可用于实现代码安全性。

　　有一种安全性级别可以对存储器算法进行锁定，禁止通过串行端口读取一些存储区的内容。对MCU存储器的一些区域设置读写锁定，可以防止其他代码部分（例如RS-485或USB部分）访问受保护的区域，例如保存校准和校正因数的那些区域。此外，还提供了标准的加密算法，例如高级加密标准（AES）和微型加密算法2（XTEA）。

　　安全的协作式公用仪表设计

　　保护协作式公用事业计量系统设计中的知识产权也是一个常见的挑战，因为对电表计算引擎进行自定义会在设计中产生额外的IP。在公用仪表中，计量器设计事务所、软件IP供应商、传感器模块和OEM可能各自具有自己的IP，而最终的计量器中可能包含二至三种嵌入式MCU，每种具有不同的计量功能和特定于不同公司的IP。使用多种具有不同IP的器件会增加最终客户和公用事业公司的成本。

　　可以将多个IP区域整合到单个器件中，同时对各个代码区域进行独立保护，并将解决方案集成到单个16位MCU或数字信号控制器（DSC）中。这种在单个器件上整合IP的协作式方案可以保护各方的IP，并且可以较低的成本提供最终的产品。

　　电表设计的新选择

　　今天，可供选择的闪存MCU和模拟产品非常广泛，这为电表设计提供了许多令人激动的新途径。近年来，出现了只有6个引脚的小尺寸闪存MCU，单价低于0.40美元，这为低成本的单相电表校准提供了新的可能性。此外，采用模块化的AFE计算模块，还可以简便地开发更高端的16位和32位电表；这些模块协同工作，实现简化的校准技术和更快速的电表生产。采用△-∑ ADC技术的高精度、灵活的AFE，配合闪存MCU的智能，为创新性的单相和三相电表设计开辟了新的途径。