单片机实现灵活创新的电表设计

。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。