高度集成的解决方案的嵌入式电力仪表设计

嵌入式功率计或submeters，提供能量监控功能，个别产品如智能插头，家电，和其他耗电的单位。对于产品设计，在提供这些辅助计量能力的挑战往往更依赖于易用性设计不亚于功率测量的精度要求。在建立有效的辅助计量解决方案，工程师们可以利用广泛的集成设备从厂家尤其包括亚德诺半导体，Atmel公司，飞思卡尔半导体，美信集成，意法半导体和德州仪器，实现简单和复杂性所要求的平衡。

 

趋势，如物联网（IOT）互联网的承诺，大大磨砺电子检测和控制技术与深入到生活的几乎每一个方面的智能设备的扩散的分辨率。 Submeters提供很多相同种类细化，提供业主和经营者对动力由个别产品消费细粒度的信息。通过上电电表测得的总功耗相反，这些设备帮助个人更好地了解的来源和理由在自己的家园和设施的能源消耗。

 

基本所有能量米，然而，电压和电流的可靠的测量是用于各种重要的参数，包括有功，无功，和视在功率计算关键的;有功，无功和视在功率;功率因数;峰值电流和电压;电流和电压和RMS。除了这些通用功能，智能电表设计日趋复杂演变为开发商找到连接，安全和监控功能不断增长的需求。

 

德州仪器能源米的复杂图像

 

 

与此相反，submeters保持更温和的要求，并在尽可能低的成本争取足够的能力。在许多情况下，亚米级设计可以削减要求下降到基本能量测量，以连通性，安全性，并在嵌入亚米级功能的主机应用程序并入其它特征的优点。此外，各种衍生参数功率测量和精度与电能表的类型显著而变化。计费目的而使用电力公司电力仪表一般需要0.1％的精度（0.1级米）。与此相反，嵌入家电和智能插头电表在为用户提供合适的功耗信息显著更宽松的精度要求。

 

虽然能量计算可以是相当复杂和高端米广泛的，所有能源计量设计开始，瞬时电压和电流测量。因此，在其最基本的形式中，能量测量设计需要的换能器以感测电压和电流值，模拟前端（AFE）来捕获来自传感器的数据，处理单元以执行能量测量计算，并且一些机制来显示这些结果或将数据发射到较高等级的应用。在submeters，简单的电阻分压器可以用作电压传感器。对于电流传感器，设计人员可以通常使用分流电阻器 - 或将电流互感器或罗氏线圈时，隔离是必要的。

 

飞思卡尔MCU的图像的集成模拟外设

 

 

对于辅助计量的应用不太严格的精度要求，MCU的集成模拟 - 数字转换器（ADC）和其他的片上外设的良好适合于建立简单而有效的亚米级的设计。例如，德州仪器MSP430AFE253超低功耗混合信号微控制器集成了三个独立的24位Σ-ΔA / D与差分PGA输入转换器，1个16位定时器，一个16位的硬件乘法器，USART通信接口，看门狗定时器和11个I / O引脚。

 

飞思卡尔半导体大钞自己的MCF51EM256 MCU作为智能电表片上。凭借其集成的32位ColdFire MCU，16位ADC和计量专用外设，MCF51EM256是优化能源计量应用 - 甚至包括用于测量本地显示嵌入式LCD控制器。用这些集成的M​​CU，电能计量用来测量和处理器核心能量计算片上的模拟处理功能。因此，使用这些设备的工程师只需要增加一些外部元件即可构建完整的电能测量设计。

 

德州仪器MSP430AFE253的图

 

 

当更精确的测量是必需的，集成的MCU如飞思卡尔Kinetis产品MKM33计量微控制器能提供的功率计算与0.1％的精度。基于32位ARM Cortex-M0 +内核，MDK33 MCU集成了高精度24位Σ-ΔADC，12通道16位SAR ADC，可编程增益放大器和高精度电压基准。

 

多核MCU的出现提供了更先进的单芯片亚米级设计一个有吸引力的解决方案。随着多核器件，设计人员可以完成执行复杂的应用程序不会影响电能计量。在这种方法中，一个芯可以被用作能量测量一个实时处理器，而另一个核可以只专注于高级别应用处理。例如，该公司的SAM4CM家庭爱特梅尔SAM4CMS8，SAM4CMS16和SAM4CMS32成员结合了对ARM的Cortex-M4 32位内核与片上电能计量AFE模块，以及广泛的嵌入式闪存，SRAM和导通高速缓存芯片。片上能量计量模块包括多个高分辨率Σ-Δ模数转换器，基准电压源，温度传感器，及低噪声可编程增益放大器能够容纳各种电流和电压传感器。

 

虽然使用片上ADC和相关外围设备，可满足多种辅助计量的要求，需要更大的测量精度的应用程序可以利用的设计工作，智能的AFE的MCU为基础的设计专用计量IC的优势。不同于一般的数据采集和信号调理传统的AFE，这些专业的设备集成模拟外设和数字信号处理能力，使他们能够计算并提供重点用能测量到主处理器。

 

例如，在ADI ADE7763的能源计量IC集成两个二阶，16位Σ-Δ模数转换器，一个数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所需要的所有信号处理功能，以产生活性和视在功率的测量，线路电压周期的测量，并且有效值计算上的电压和电流通道。该装置包括一个可选择的片数字积分，提供了一个直接连接的di / dt电流传感器例如罗氏线圈，省去了外部的模拟积分，同时提供的电流和电压通道之间的精确的相位匹配。

 

ADI公司的ADE7763图

 

 

的美信集成71M6541D计量的SoC集成了一个5兆赫8051兼容MPU内核，一个32位的计算引擎，模拟外设，闪存，RAM，RTC，LCD驱动器，和SPI接口，以及其他功能。在它的模拟处理能力的心脏设备采用Maxim的集成的单转换器技术，包括22位Δ-ΣADC，多路模拟输入，数字温度补偿和精密电压基准。在与32位计算引擎相结合，这些片上模拟模块使得器件能够支持广泛的计量应用与极少的外部元件。

 

同样，意法半导体STPM01电能计量IC结合Σ-ΔADC模块，参考电压，电压调节器和固定功能的DSP提供有功，无功和视在功率，以及均方根电压和电流的瞬时值。该装置对两个独立通道并行A / D转换。反过来，转换后的数据被提供给DSP内部，它过滤，并根据需要来提高分辨率，并计算所需的测量值结合的那些信号。

 

结论

 

相比于用于计费高端电表辅助计量设计，可呈现显著简单的​​要求。嵌入式智能插头，电器等高耗电产品，亚米级的设计可以充分利用各种可用的芯片，以满足一个非常广泛的精度要求。虽然微控制器集成模拟功能，可满足更宽松的精度要求，MCU和专用的电能计量IC的结合提供了更加准确的解决方案。利用现有MCU和计量IC，工程师们可以找到嵌入到任何目标应用能源计量要求的设计简单性和测量功能之间所需的平衡。

审核编辑 黄宇