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