智能電表中MCU的選擇要求

智能電表正在迅速發(fā)展，世界各地的市場(chǎng)使用不同的架構(gòu)（以及不同的監(jiān)管要求）。由于它們正在向數(shù)以億計(jì)的公用事業(yè)客戶推出，因此對(duì)成功的智能電表設(shè)計(jì)有很大的興趣和巨大的回報(bào)。

在最基本的形式中，公用儀表在儀表的前面板上提供能量和功率測(cè)量，數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)時(shí)鐘保養(yǎng)和數(shù)據(jù)顯示。智能電表的主要設(shè)計(jì)要求包括：（1）它們應(yīng)以低能耗運(yùn)行，以便長(zhǎng)時(shí)間使用電池供電;（2）它們必須包含可保護(hù)通信內(nèi)容和安全性的安全功能。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

基本儀表還提供單向通信，使電力供應(yīng)商能夠使用不同的通信解決方案自動(dòng)和遠(yuǎn)程讀取儀表，包括RF無線，電力線載波和通用分組無線電系統(tǒng)（GPRS）數(shù)據(jù)通信。

具有高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）架構(gòu)的智能電表提供雙向通信，并提供提高可靠性和準(zhǔn)確性的好處，監(jiān)控中斷的能力，提供遠(yuǎn)程斷開連接以及增加可變關(guān)稅的選項(xiàng)讓消費(fèi)者轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷。智能電表還可以直接與其他電表和內(nèi)部顯示單元通信，以便公用事業(yè)公司及其客戶更好地管理能耗。

隨著實(shí)施和架構(gòu)變得越來越復(fù)雜，電表需要更多的處理能力和更多的閃存，用于軟件堆棧，通信協(xié)議和固件更新。儀表還具有通信接口。在美國(guó)，許多公司已選擇ZigBee無線電臺(tái)作為公用事業(yè)的鏈路，而在歐洲，許多公用事業(yè)集團(tuán)已同意使用電力線通信節(jié)點(diǎn)。

MCU要求

低功耗是智能電能表的主要要求，反過來，也是能夠感應(yīng)/測(cè)量功率使用的MCU的主要要求。低功耗也是有益的，因?yàn)榧词闺姳碛?a target="_blank">電源供電，如果電源丟失，它們必須能夠使用電池電源，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）仍然在運(yùn)行。

用于智能電表應(yīng)用的MCU需要具有用于電流和電壓測(cè)量的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器;通常16位或24位A/D速度不是問題，因此可以使用sigma-delta轉(zhuǎn)換器。通常需要雙A/D進(jìn)行同步測(cè)量，并且可能需要第三個(gè)A/D進(jìn)行溫度測(cè)量和入侵檢測(cè) - 這是防止儀表篡改的必要條件。數(shù)據(jù)傳輸很可能需要使用AES，DES，RSA，ECC或SHA-256進(jìn)行加密。具有高EMC抑制性的IC減少了對(duì)外部元件的需求。并且可能需要EEPROM來進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

計(jì)量可以是單相，兩相或三相能量測(cè)量。單相電表在大多數(shù)住宅應(yīng)用中很常見。這通常具有一個(gè)電壓和一個(gè)待測(cè)電流，并且它支持低到中負(fù)載。雙相電表在全世界并不常見，主要在日本使用，具有兩個(gè)電壓和兩個(gè)待測(cè)電流。每相偏離180o，通常適用于中到大負(fù)載。最后，三相測(cè)量通常用于大型辦公空間和工業(yè)應(yīng)用。有三個(gè)不同的階段相互120°異相。需要測(cè)量三個(gè)電壓和三個(gè)電流，因此需要至少六個(gè)ADC來獲得能耗和功率因數(shù)的瞬時(shí)快照。在候選MCU中為每個(gè)A/D包含可編程增益級(jí)對(duì)傳感器接口有很大幫助。

在能源計(jì)量服務(wù)中，MCU可能需要處理很多事情。圖1是功能框圖，示出了處理器可能需要在良好的智能電表設(shè)計(jì)中處理的中心處理器以及各種外圍設(shè)備。

圖1：典型的智能電表框圖。

現(xiàn)在我們已經(jīng)定義了MCU用于智能電表服務(wù)的要求，我們?cè)谀睦锟梢哉业竭@樣的東西？這里有幾種可能性。

32位電能計(jì)量IC

恩智浦EM773FHN33是一款基于ARM Cortex-M0的低成本32位電能計(jì)量IC。它以48 MHz運(yùn)行，具有嵌套向量中斷控制器，串行線調(diào)試，32 KB閃存和8 KB SRAM。此外，在其外設(shè)補(bǔ)充中，MCU包括I2C總線接口，RS-485/EIA-485 UART，一個(gè)具有SSP功能的SPI接口，三個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，多達(dá)25個(gè)通用I/O引腳和“計(jì)量引擎”，用于收集電壓和電流輸入，以計(jì)算負(fù)載的有功功率，無功功率，視在功率和功率因數(shù)。

有兩個(gè)電流輸入和一個(gè)電壓輸入，該部件具有規(guī)定的1％的測(cè)量精度。它采用7 x 7 x 0.85 mm HVQFN塑料耐熱增強(qiáng)型薄型四方扁平封裝，帶33個(gè)端子。對(duì)于可擴(kuò)展的輸入源，能量計(jì)量IC的精度為1％，最高可達(dá)230 V/50 Hz/16 A和110 V/60 Hz/20。

具有高分辨率ADC的16位MCU

德州儀器（TI）MSP430AFE253IPW低功耗16位MCU針對(duì)公用事業(yè)計(jì)量應(yīng)用，采用單相計(jì)量模擬前端，在2，400：1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)支持0.1％的精度范圍。 MSP430AFE253IPW具有三個(gè)24位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器和高達(dá)16 KB的閃存，512字節(jié)的RAM和溫度測(cè)量。

該MCU還具有一個(gè)更快的10位A/D.給出24位A/D的精度規(guī)格是FS最大值的±0.2％的偏移誤差 - 這使得它成為一個(gè)19位轉(zhuǎn)換器。 1 MHz時(shí)的有源模式電源電流僅為220μA，2.2 V，待機(jī)電流為0.5μA。它的工作溫度范圍為-40°C至85°C。其中一個(gè)A/D可用于防篡改。

MSP430AFE2xx器件系列共有9個(gè)版本（圖2），均具有SPI和UART接口，LCD控制器，16位定時(shí)器/PWM，看門狗和硬件乘法器。這些芯片沒有實(shí)時(shí)時(shí)鐘或數(shù)據(jù)加密。

圖2：TI的MSP430AFE2xx系列提供SPI和UART接口以及LCD控制器。

8位或32位選項(xiàng)

8位Freescale MC9S08GW MCU（圖3）具有兩個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器，帶有專用差分放大器和多達(dá)16個(gè)通道。該器件具有64 KB的閃存，帶防篡改功能的RTC，最多288個(gè)段的LCD控制器以及CRC數(shù)據(jù)檢查功能。它的工作頻率為3.6 MHz至2.15 V時(shí)高達(dá)20 MHz，1.8 V時(shí)高達(dá)10 MHz。該芯片采用10 x 10 mm或14 x 14 mm LQFP封裝。

飛思卡爾的另一個(gè)可能性是他們的基于K30 Cortex-M4的32位MCU，帶有一個(gè)低功耗段LCD控制器，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)320個(gè)段（圖3）。 PK30X256VLQ100具有一個(gè)6位A/D轉(zhuǎn)換器，256 KB閃存，一個(gè)RTC，一個(gè)中斷控制器和CRC數(shù)據(jù)檢查。

圖3：飛思卡爾K30框圖。

具有LCD驅(qū)動(dòng)器和低功耗模式的MCU

Microchip的PIC18F87K90是測(cè)量的理想選擇，盡管其24通道A/D轉(zhuǎn)換僅限于12位分辨率。它具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，128 KB閃存和1 KB EEPROM，以及用于192像素和四個(gè)外部中斷的LCD驅(qū)動(dòng)器。在掉電模式下，IC的供電電流在60°C時(shí)最大為600 nA。 RTC在3.3 V和60°C時(shí)最大值為4.6μA。 A/D積分線性誤差典型值為±1 LSB，但最大值為±6.0 LSB - 非常均勻。差分線性誤差指定為±1典型值和+ 3.0/-1.0最大值。這超出了工業(yè)溫度范圍。未提供加密或篡改校對(duì)。

SoC方法

ADI公司采用了一種稍微不同的方法，ADE7880不是真正的MCU，而是更多的SOC，其中“計(jì)算模塊”針對(duì)電子儀表應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)整。它適用于三相電能測(cè)量，并具有自適應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控諧波引擎。

ADE7880器件集成了二階Σ-Δ（Σ-Δ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)字積分器，參考電路以及執(zhí)行總和（基波和諧波）所需的所有信號(hào)處理）有源和視在功率測(cè)量，均方根計(jì)算，以及僅基波有功和無功電能測(cè)量除了基波，IC還可以監(jiān)控三個(gè)用戶可選擇的諧波。它可以自動(dòng)跟蹤基頻并提供實(shí)時(shí)諧波測(cè)量更新。諧波分析包括電流有效值，電壓有效值，有功，無功和視在功率，功率因數(shù)，加上諧波失真，以及總諧波失真加噪聲（THD + N）計(jì)算。

ADE7880集成了七個(gè)二階Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)數(shù)字積分器，參考電路以及所需的所有信號(hào)處理能力。它支持IEC 62053-21，IEC 62053-22，IEC 62053-23，EN 50470-1，EN 50470-3，ANSI C12.20和IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)，并且運(yùn)行大約需要25 mA。