電子設計 發表於 2019-01-25 08:32:00
智能電錶正在迅速發展，世界各地的市場使用不同的架構（以及不同的監管要求）。由於它們正在向數以億計的公用事業客戶推出，因此對成功的智能電錶設計有很大的興趣和巨大的回報。
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量，數據傳輸，實時時鐘保養和數據顯示。智能電錶的主要設計要求包括：（1）它們應以低能耗運行，以便長時間使用電池供電;（2）它們必須包含可保護通信內容和安全性的安全功能。存儲的數據。
基本儀表還提供單向通信，使電力供應商能夠使用不同的通信解決方案自動和遠程讀取儀表，包括RF無線，電力線載波和通用分組無線電系統（GPRS）數據通信。
具有高級計量基礎設施（AMI）架構的智能電錶提供雙向通信，並提供提高可靠性和準確性的好處，監控中斷的能力，提供遠程斷開連接以及增加可變關稅的選項讓消費者轉移高峰負荷。智能電錶還可以直接與其他電錶和內部顯示單元通信，以便公用事業公司及其客戶更好地管理能耗。
隨著實施和架構變得越來越複雜，電錶需要更多的處理能力和更多的快閃記憶體，用於軟體堆棧，通信協議和固件更新。儀表還具有通信接口。在美國，許多公司已選擇ZigBee無線電臺作為公用事業的鏈路，而在歐洲，許多公用事業集團已同意使用電力線通信節點。
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/測量功率使用的MCU的主要要求。低功耗也是有益的，因為即使電錶由電源供電，如果電源丟失，它們必須能夠使用電池電源，因此實時時鐘（RTC）仍然在運行。
用於智能電錶應用的MCU需要具有用於電流和電壓測量的高解析度A/D轉換器;通常16位或24位A/D速度不是問題，因此可以使用sigma-delta轉換器。通常需要雙A/D進行同步測量，並且可能需要第三個A/D進行溫度測量和入侵檢測 - 這是防止儀表篡改的必要條件。數據傳輸很可能需要使用AES，DES，RSA，ECC或SHA-256進行加密。具有高EMC抑制性的IC減少了對外部元件的需求。並且可能需要EEPROM來進行數據記錄和存儲校準數據。
計量可以是單相，兩相或三相能量測量。單相電錶在大多數住宅應用中很常見。這通常具有一個電壓和一個待測電流，並且它支持低到中負載。雙相電錶在全世界並不常見，主要在日本使用，具有兩個電壓和兩個待測電流。每相偏離180º，通常適用於中到大負載。最後，三相測量通常用於大型辦公空間和工業應用。有三個不同的階段相互120°異相。需要測量三個電壓和三個電流，因此需要至少六個ADC來獲得能耗和功率因數的瞬時快照。在候選MCU中為每個A/D包含可編程增益級對傳感器接口有很大幫助。
在能源計量服務中，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錶設計中處理的中心處理器以及各種外圍設備。
圖1：典型的智能電錶框圖。
現在我們已經定義了MCU用於智能電錶服務的要求，我們在哪裡可以找到這樣的東西？這裡有幾種可能性。
32位電能計量IC
恩智浦EM773FHN33是一款基於ARM Cortex-M0的低成本32位電能計量IC。它以48 MHz運行，具有嵌套向量中斷控制器，串行線調試，32 KB快閃記憶體和8 KB SRAM。此外，在其外設補充中，MCU包括I²C總線接口，RS-485/EIA-485 UART，一個具有SSP功能的SPI接口，三個通用計數器/定時器，多達25個通用I/O引腳和「計量引擎」，用於收集電壓和電流輸入，以計算負載的有功功率，無功功率，視在功率和功率因數。
有兩個電流輸入和一個電壓輸入，該部件具有規定的1％的測量精度。它採用7 x 7 x 0.85 mm HVQFN塑料耐熱增強型薄型四方扁平封裝，帶33個端子。對於可擴展的輸入源，能量計量IC的精度為1％，最高可達230 V/50 Hz/16 A和110 V/60 Hz/20。
具有高解析度ADC的16位MCU
德州儀器（TI）MSP430AFE253IPW低功耗16位MCU針對公用事業計量應用，採用單相計量模擬前端，在2，400：1動態範圍內支持0.1％的精度範圍。 MSP430AFE253IPW具有三個24位Σ-ΔA/D轉換器和高達16 KB的快閃記憶體，512位元組的RAM和溫度測量。
該MCU還具有一個更快的10位A/D.給出24位A/D的精度規格是FS最大值的±0.2％的偏移誤差 - 這使得它成為一個19位轉換器。 1 MHz時的有源模式電源電流僅為220μA，2.2 V，待機電流為0.5μA。它的工作溫度範圍為-40°C至85°C。其中一個A/D可用於防篡改。
MSP430AFE2xx器件系列共有9個版本（圖2），均具有SPI和UART接口，LCD控制器，16位定時器/PWM，看門狗和硬體乘法器。這些晶片沒有實時時鐘或數據加密。
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
8位Freescale MC9S08GW MCU（圖3）具有兩個16位A/D轉換器，帶有專用差分放大器和多達16個通道。該器件具有64 KB的快閃記憶體，帶防篡改功能的RTC，最多288個段的LCD控制器以及CRC數據檢查功能。它的工作頻率為3.6 MHz至2.15 V時高達20 MHz，1.8 V時高達10 MHz。該晶片採用10 x 10 mm或14 x 14 mm LQFP封裝。
飛思卡爾的另一個可能性是他們的基於K30 Cortex-M4的32位MCU，帶有一個低功耗段LCD控制器，可驅動多達320個段（圖3）。 PK30X256VLQ100具有一個6位A/D轉換器，256 KB快閃記憶體，一個RTC，一個中斷控制器和CRC數據檢查。
圖3：飛思卡爾K30框圖。
具有LCD驅動器和低功耗模式的MCU
Microchip的PIC18F87K90是測量的理想選擇，儘管其24通道A/D轉換僅限於12位解析度。它具有實時時鐘，128 KB快閃記憶體和1 KB EEPROM，以及用於192像素和四個外部中斷的LCD驅動器。在掉電模式下，IC的供電電流在60°C時最大為600 nA。 RTC在3.3 V和60°C時最大值為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。這超出了工業溫度範圍。未提供加密或篡改校對。
SoC方法
ADI公司採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「計算模塊」針對電子儀表應用進行了調整。它適用於三相電能測量，並具有自適應實時監控諧波引擎。
ADE7880器件集成了二階Σ-Δ（Σ-Δ）模數轉換器（ADC），數字積分器，參考電路以及執行總和（基波和諧波）所需的所有信號處理）有源和視在功率測量，均方根計算，以及僅基波有功和無功電能測量除了基波，IC還可以監控三個用戶可選擇的諧波。它可以自動跟蹤基頻並提供實時諧波測量更新。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，加上諧波失真，以及總諧波失真加噪聲（THD + N）計算。
ADE7880集成了七個二階Σ-ΔA/D轉換器，一個數字積分器，參考電路以及所需的所有信號處理能力。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標準，並且運行大約需要25 mA。
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