單相能量計(jì)變得更簡(jiǎn)單更先進(jìn)

完整的封裝

MSP430FE42x 集成了一個(gè) 16 位基于閃存的 MCU 以及用于顯示與 AMR 通信的附加外設(shè)。為了優(yōu)化能量處理，MSP430FE42x 提供的計(jì)量功能是專用的嵌入式信號(hào)處理器 (ESP)，稱作 ESP430CE1。ESP430CE1 自動(dòng)進(jìn)行傳送進(jìn)來(lái)模擬信號(hào)的增強(qiáng)、采樣與轉(zhuǎn)換，并計(jì)算瞬時(shí)與平均功率以及其它數(shù)個(gè)參數(shù)，如功率因數(shù)、表觀功率、無(wú)功功率等。這就解放了主中央處理器 (CPU) 及其集成閃存（高達(dá) 32kB）和 1kB RAM，可用于實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的應(yīng)用功能。MSP430FE42x 結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 2。

CPU 可提供每秒 800 萬(wàn)指令 (MIPs) 的性能，即使對(duì)最復(fù)雜的 AMR 與通信功能而言也足夠了。此外，集成閃存可自編程，因此系統(tǒng)可不再需要外部非易失存儲(chǔ)器（通常用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與單位確認(rèn)）。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、串行數(shù)字乃至能量消耗數(shù)據(jù)都直接存儲(chǔ)于集成閃存中。

設(shè)計(jì)人員還可獲得額外的集成外設(shè)，例如兩個(gè) 16 位計(jì)時(shí)器、PWM 輸出功能、一個(gè)用于串行通信的USART，一個(gè)用于自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行的看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)高度靈活的帶有晶體故障檢測(cè)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)、一個(gè) 128 段 LCD 控制器、一個(gè)集成電源電壓監(jiān)控器，以及專利的超低功率電力減弱檢測(cè)器（所需的電流消耗小于 50 納安）。無(wú)需外部器件，這樣的外設(shè)組合即可在片上實(shí)施紅外線或射頻等各種先進(jìn)的通信功能。

嵌入式信號(hào)處理器

MSP430FE42x 有一個(gè)嵌入式信號(hào)處理器 ESP430CE1，它執(zhí)行所有測(cè)量與計(jì)算功能，是一個(gè)專門(mén)為電子計(jì)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)的固定功能外設(shè)。它包括三個(gè)完全獨(dú)立、完全差動(dòng)、同時(shí)采樣的二級(jí) 16 位Σ-Δ ADC。每個(gè) ADC 都有其各自的可編程增益放大器 (PGA)，采樣速率達(dá)到 1Mhz。各用一個(gè)通道進(jìn)行電壓測(cè)量與電流測(cè)量，并用第三個(gè)通道進(jìn)行火線與零線 (line-to-Neutral) 測(cè)量，這樣就能在三線系統(tǒng)中進(jìn)行篡改檢測(cè)（圖3）。ADC 還用一個(gè)集成的 1.25V 參考電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或者也會(huì)用外部的1.25V 參考電壓。

在被轉(zhuǎn)換的電壓與電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理時(shí)，將返回峰值電壓與電流、能量與線路周期 (line period) 測(cè)量結(jié)果以及逆向電力傳輸顯示 (negative power flow indication)。ESP430CE1 執(zhí)行必要的計(jì)算，提供精確的工作能量、表觀能量、RMS 電壓、電流與波形采樣，并給出電流與電壓通道間精確的相位匹配。這些值對(duì)公共設(shè)施供應(yīng)商而言相當(dāng)重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)家庭負(fù)載不是電容性較強(qiáng)，就是感應(yīng)性較強(qiáng)。該方法比機(jī)械式儀表有了較大改進(jìn)，因?yàn)闄C(jī)械式儀表無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量上述負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致公共設(shè)施供應(yīng)商的收入損失。

ESP430CE1 出貨時(shí)已經(jīng)預(yù)編程，并使用自帶專用的優(yōu)化 CPU、硬件乘法器、RAM 與 ROM。為了進(jìn)一步減少外部組件，還集成了溫度傳感器，這就進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了惡劣條件下較大溫度波動(dòng)的補(bǔ)償。ESP430CE1 與主 MSP430FE42x CPU 之間實(shí)施郵箱通信方案，從而進(jìn)行配置與返回測(cè)量結(jié)果。

靈活的傳感器接口

MSP430FE42x 與傳感器直接用接口連接，以測(cè)量執(zhí)行能量計(jì)算所需的電流與電壓。由于集成了 PGA-ADC 信號(hào)鏈，因此不需要外部信號(hào)調(diào)節(jié)。MSP430FE42x 測(cè)量電流時(shí)既支持變流器 (CT)，也支持分路器（圖 1）。即使使用混合類型的傳感器，也可為傳感器自動(dòng)提供先進(jìn)的相位校準(zhǔn)與校正。

CT 實(shí)現(xiàn)了電絕緣，并為主電流提供了精確的電壓信號(hào)。在選擇 CT 時(shí)，必須考慮到直流 (DC) 容差，以避免 CT 飽和。MSP430FE42x 將自動(dòng)校正 CT 產(chǎn)生的相移。CT 的正確選擇取決于電壓信號(hào)的變化范圍，其必須滿足各個(gè)器件精度等級(jí)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。在亞洲，標(biāo)準(zhǔn)由 IEC 1036 規(guī)定。

每個(gè) PGA 都有 1 至 32 的可選增益，這就能夠使用低至 250uOhm-300uOhm 的分流電阻。每個(gè)PGA-ADC 通道的內(nèi)部偏移在模塊處初始化時(shí)通過(guò)進(jìn)行輸入短路并測(cè)量可自動(dòng)去除。

精度

16 位Σ-Δ ADC 對(duì)測(cè)量而言具有較大的動(dòng)態(tài)輸入范圍。這對(duì)正確測(cè)量相當(dāng)重要，因?yàn)殡娏飨募瓤赡苄〉綆讉€(gè)毫安，又可能大至數(shù)十安培。在 1000 至 1 的動(dòng)態(tài)電流范圍內(nèi)，基于 MSP430FE42x 電表的測(cè)量性能精度高達(dá) 0.1%，大大超過(guò)了通常電表所要求的 2% 的精度。

此外，ADC 的轉(zhuǎn)換速率達(dá)每秒 4096 次，即使在快速交換瞬態(tài)負(fù)載下可測(cè)量到 50 或 60Hz 主頻率的第 20 次諧波，這符合 IEC 1036 標(biāo)準(zhǔn)。

篡改檢測(cè)

如果 ESP430CE1 配置為僅檢測(cè)能量的模式，則一個(gè) ADC 通道測(cè)量單電流傳感器，另一個(gè) ADC 通道測(cè)量電壓。第三個(gè) ADC 通道用于片上溫度測(cè)量。在這種模式下，只有在干線電壓斷開(kāi)或者電壓或電流連接反極性時(shí)才能進(jìn)行篡改檢測(cè)。

但是，ESP430CE1 帶有能量檢測(cè)加篡改檢測(cè)模式，使用兩個(gè)電流傳感器與兩個(gè) ADC 通道。一個(gè)用于能量測(cè)量，另一個(gè)測(cè)量零線的電流。ESP430CE1 自動(dòng)比較兩個(gè)電流測(cè)量結(jié)果，兩個(gè) RMS 中較大的值將用于能量計(jì)算。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可設(shè)置可編程的閾值，這樣，如果 ESP430CE1 檢測(cè)到負(fù)載差值大于閾值，那么就會(huì)設(shè)置篡改標(biāo)志，而主 MSP430FE2x CPU 則能夠通過(guò)儀表的通信功能提醒公共設(shè)施供應(yīng)商。該模式還支持檢測(cè)干線極性倒轉(zhuǎn)或斷開(kāi)。

可靠性

除了可進(jìn)行篡改檢測(cè)外，單芯片電子表解決方案還提高了儀表的長(zhǎng)期可靠性。電子表還必須在惡劣條件下非?？煽浚⒕哂休^長(zhǎng)的工作壽命。MSP430FE42x 在 3V 電壓下工作時(shí)，只需要一個(gè)低頻 32kHz 表晶體進(jìn)行計(jì)時(shí)，并可在停電情況下啟用超低功耗的待機(jī)模式，這就減少了對(duì)多晶體的需求，而以前各代儀表都需要多晶體。

停電時(shí)，MSP430FE42x在待機(jī)模式下運(yùn)行，實(shí)時(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)下耗電僅為

1.1uA。高速系統(tǒng)時(shí)鐘在片上計(jì)數(shù)生成，與晶體分開(kāi)。如果晶體出現(xiàn)故障，則其將進(jìn)入自動(dòng)防護(hù)模式，使 MCU 繼續(xù)在最低水平上工作，同時(shí)仍能夠提醒公共設(shè)施供應(yīng)商發(fā)生了故障。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

MSP430FE42x 器件有完整的片上 JTAG 仿真邏輯。電路內(nèi)仿真器 (ICE)的使用非常麻煩，常常產(chǎn)生故障，而且不支持精確的模擬開(kāi)發(fā)，片上仿真邏輯可使設(shè)計(jì)人員免受這些困擾。MSP430FE42x 的片上仿真非常穩(wěn)定，在模擬信號(hào)鏈保持其信號(hào)完整性并進(jìn)行徹底測(cè)試和開(kāi)發(fā)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)同樣的實(shí)時(shí)運(yùn)行、步進(jìn)(step)、斷點(diǎn)等 ICE 系統(tǒng)的仿真功能。

總結(jié)

MSP430FE42x 系列使儀表制造商能夠靈活地開(kāi)發(fā)現(xiàn)代、復(fù)雜、精確且低成本的電子儀表?，F(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可集中精力解決高級(jí)的 AMR 實(shí)施問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期并降低開(kāi)發(fā)成本，使產(chǎn)品獨(dú)樹(shù)一幟。

關(guān)于作者：

Mike Mitchell 是德州儀器 MSP430 產(chǎn)品線的應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于美國(guó)得州農(nóng)工大學(xué) (Texas A&M University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。