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