利用面向高级电力管理和工业控制的多通道单转换器架构

如今的电力管理和工业自动化应用常常需要将多个传感器的测量数据送到本地的嵌入式处理器来实时处理，这些嵌入式处理器则针对特定应用的需求进行了优化。

不管系统的任务是防止篡改居民电表读数，针对工厂电力分配提供完全可调的断路器接合特性，还是依据多个传感器的输入来控制生产自动化过程，其基本的架构挑战非常相似。有效的解决方案需要一整套高效的模拟信号处理、精密A/D转换、对多通道混合信号输入的可编程同步处理，以及与基于微处理器的更高级别功能的整合，如I/O、闪存、LCD显示器接口等等。

正如本文所讨论的那样，先进的混合信号SoC的演变有助于推进电力行业向固态计量变迁，与此同时还降低了成本并通过多相多通道处理技术改进了防止篡改读数的功能。目前，这些相同的基础性混合信号SoC架构还在为更低成本、更高性能的能量管理、过程控制和工业自动化应用提供更有效的解决方案。

早期的固态电表设计要用多片IC来完成所需的功能组合。例如，一个微控制器负责管理和控制任务，同时由多个A/D转换器处理计量功能。随后是进一步的集成，大的电表制造商独立地开发了专有的ASIC来处理A/D转换。然而，新的计量需求的持续演变再加上竞争压力使依赖固定功能ASIC与通用微控制器组合的缺点及不灵活性暴露无遗。

伴随着高集成度混合信号SoC设计的问世，电表设计出现了一个大跃进，电表制造商获得了实现高性能、低成本计量应用的单芯片可编程解决方案，同时仍然为产品的差异化提供了充分的机会。

除了单芯片SoC集成的固有好处外，获得成功的一个关键因素是混合信号A/D转换和多通道集成功能的设计。例如，Teridian公司的71M651x架构中的专利技术Single Converter Technology(单转换器技术)使用了一个21位的二阶Δ-∑型A/D转换器，它最多可处理7路模拟输入并有一个可编程计算引擎(CE)。这个32位的CE接收并处理来自该21位A/D转换器的所有传感器数据，而且它的运行独立于负责更高级系统管理和外部接口任务的片上8位微控制器内核。这种功能的划分使得混合信号计量子系统可以提供高速度、高可靠性和出色的动态量程，同时没有外部中断的负担或不必要的处理额外开销(参见图1)。

业界的经验已经表明，与为每个通道专门分配一个A/D转换器的架构相比，多路复用的系统一般能提供最低的成本。不过，多路复用的系统是采用开关电路来扫描许多条输入通道，轮流采样每条通道以便由单一的A/D转换器来处理有关数据。多路复用向系统设计人员提供了增益的一致性、偏置的一致性，降低了通道之间的串扰，因而是一种设计灵活和成本较低的解决方案。

一个多路复用的方法尤其适合于具有多个独立输入信号但其性质类似的应用，如电力测量和许多工业自动化应用，包括过程控制传感器测量和电机控制。一个关键的需求就是保存各个通道之间的相位信息，以便使一个多路复用系统中的CE能对不同通道完成“同步”测量。此外，与为每个通道专门分配单独的A/D转换器的架构相比，单转换器技术提供了较低的通道之间串扰，这是电力测量应用中的一个关键优势。

混合信号、多通道SoC架构的固有灵活性可被充分用于实现各种高级计量功能，从1相/2输入的基本住宅电力计量一直到3相/7输入的高端商用电力表。它可以通过编程补偿内部和/或外部温度波动并支持有功功率、无功功率、RMS和其它测量功能，几乎涉及各种传感器输入的任意组合，包括电阻分路器、电流变压器或Rogowski线圈。

图1：Teridian的71M651x架构是一个典型的多路复用系统

这种灵活性使得仪表制造商和电力供应公司进一步降低成本，它们可以让智能计量引擎充分利用较低成本的传感器技术。例如，在多相计量中，电流变压器已经普遍用于中性线电流测量以检测窃电状况，而Rogowski线圈可以作为一种首选的解决方案，因为它不使用一个金属芯，对磁窃电的抵抗力相对要强，成本也比带屏蔽的电流变压器要便宜大约20%。Rogowski线圈的缺点在于其差分输出必须用电子方式整合以提供所需的电流读数，在过去这样做必需昂贵的附加外部电路。

由于这些功能现在可以由一个可编程的CE进行内部处理和实现，因此业界正经历着一个成本剧减的时期，其做法就是用Rogowski线圈实现防窃电功能。这对于在发展中国家运营的供电企业来说是一个主要的优势，例如在中国、印度、俄罗斯、东欧和南美，用电的迅速增长和窃电带来的风险必须一并解决。

可编程、多通道的混合信号SoC架构的固有灵活性还使得它成为实现各种各样其它应用的理想架构。例如，一个自动反馈控制回路的建立很容易通过连接来自一个或多个测量功率、压力、位置、振动、流量、温度或湿度传感器的输入并把其输出连接到一个过程控制器来实现，如可编程逻辑控制器(PLC)、运动控制器或工业自动化系统中常见的其它控制系统。

还可以通过对SoC的内部计算引擎编程来补偿传感器输入的特殊波动，使得该系统可以为特定的测量进行优化。通过把该器件连接到一个负载单元，它可以作为一个既考虑商业及工业成本问题又满足精度需求的均衡器。另一个重要的应用是把该器件用作一个“电子接合单元”，其实现方法是编程确定其开关阈值和延迟属性并监测电力线瞬间干扰。该器件可用在工业电力线断路器中，保护工业制造和封装设备。

总而言之，采用基于SoC的智能混合信号、多通道可编程器件已经刺激计量应用的功能、特性迈向一个新的台阶，成本也得到进一步的降低。目前，相同的基础芯片级架构已准备好为改进工业自动化和控制创造全新的机会。