單相能量計變得更簡單更先進

完整的封裝

MSP430FE42x 集成了一個 16 位基于閃存的 MCU 以及用于顯示與 AMR 通信的附加外設。為了優(yōu)化能量處理，MSP430FE42x 提供的計量功能是專用的嵌入式信號處理器 (ESP)，稱作 ESP430CE1。ESP430CE1 自動進行傳送進來模擬信號的增強、采樣與轉換，并計算瞬時與平均功率以及其它數個參數，如功率因數、表觀功率、無功功率等。這就解放了主中央處理器 (CPU) 及其集成閃存（高達 32kB）和 1kB RAM，可用于實現(xiàn)獨特的應用功能。MSP430FE42x 結構圖見圖 2。

CPU 可提供每秒 800 萬指令 (MIPs) 的性能，即使對最復雜的 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器（通常用于校準數據與單位確認）。校準數據、串行數字乃至能量消耗數據都直接存儲于集成閃存中。

設計人員還可獲得額外的集成外設，例如兩個 16 位計時器、PWM 輸出功能、一個用于串行通信的USART，一個用于自動防護運行的看門狗定時器，一個高度靈活的帶有晶體故障檢測的計時系統(tǒng)、一個 128 段 LCD 控制器、一個集成電源電壓監(jiān)控器，以及專利的超低功率電力減弱檢測器（所需的電流消耗小于 50 納安）。無需外部器件，這樣的外設組合即可在片上實施紅外線或射頻等各種先進的通信功能。

嵌入式信號處理器

MSP430FE42x 有一個嵌入式信號處理器 ESP430CE1，它執(zhí)行所有測量與計算功能，是一個專門為電子計量應用而設計的固定功能外設。它包括三個完全獨立、完全差動、同時采樣的二級 16 位Σ-Δ ADC。每個 ADC 都有其各自的可編程增益放大器 (PGA)，采樣速率達到 1Mhz。各用一個通道進行電壓測量與電流測量，并用第三個通道進行火線與零線 (line-to-Neutral) 測量，這樣就能在三線系統(tǒng)中進行篡改檢測（圖3）。ADC 還用一個集成的 1.25V 參考電壓進行轉換，或者也會用外部的1.25V 參考電壓。

在被轉換的電壓與電流信號進行數字處理時，將返回峰值電壓與電流、能量與線路周期 (line period) 測量結果以及逆向電力傳輸顯示 (negative power flow indication)。ESP430CE1 執(zhí)行必要的計算，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。這些值對公共設施供應商而言相當重要，因為大多數家庭負載不是電容性較強，就是感應性較強。該方法比機械式儀表有了較大改進，因為機械式儀表無法準確測量上述負載，會導致公共設施供應商的收入損失。

ESP430CE1 出貨時已經預編程，并使用自帶專用的優(yōu)化 CPU、硬件乘法器、RAM 與 ROM。為了進一步減少外部組件，還集成了溫度傳感器，這就進一步實現(xiàn)了惡劣條件下較大溫度波動的補償。ESP430CE1 與主 MSP430FE42x CPU 之間實施郵箱通信方案，從而進行配置與返回測量結果。

靈活的傳感器接口

MSP430FE42x 與傳感器直接用接口連接，以測量執(zhí)行能量計算所需的電流與電壓。由于集成了 PGA-ADC 信號鏈，因此不需要外部信號調節(jié)。MSP430FE42x 測量電流時既支持變流器 (CT)，也支持分路器（圖 1）。即使使用混合類型的傳感器，也可為傳感器自動提供先進的相位校準與校正。

CT 實現(xiàn)了電絕緣，并為主電流提供了精確的電壓信號。在選擇 CT 時，必須考慮到直流 (DC) 容差，以避免 CT 飽和。MSP430FE42x 將自動校正 CT 產生的相移。CT 的正確選擇取決于電壓信號的變化范圍，其必須滿足各個器件精度等級的業(yè)界標準所規(guī)定的要求。在亞洲，標準由 IEC 1036 規(guī)定。

每個 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PGA-ADC 通道的內部偏移在模塊處初始化時通過進行輸入短路并測量可自動去除。

精度

16 位Σ-Δ ADC 對測量而言具有較大的動態(tài)輸入范圍。這對正確測量相當重要，因為電流消耗既可能小到幾個毫安，又可能大至數十安培。在 1000 至 1 的動態(tài)電流范圍內，基于 MSP430FE42x 電表的測量性能精度高達 0.1%，大大超過了通常電表所要求的 2% 的精度。

此外，ADC 的轉換速率達每秒 4096 次，即使在快速交換瞬態(tài)負載下可測量到 50 或 60Hz 主頻率的第 20 次諧波，這符合 IEC 1036 標準。

篡改檢測

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

但是，ESP430CE1 帶有能量檢測加篡改檢測模式，使用兩個電流傳感器與兩個 ADC 通道。一個用于能量測量，另一個測量零線的電流。ESP430CE1 自動比較兩個電流測量結果，兩個 RMS 中較大的值將用于能量計算。此外，系統(tǒng)設計人員還可設置可編程的閾值，這樣，如果 ESP430CE1 檢測到負載差值大于閾值，那么就會設置篡改標志，而主 MSP430FE2x CPU 則能夠通過儀表的通信功能提醒公共設施供應商。該模式還支持檢測干線極性倒轉或斷開。

可靠性

除了可進行篡改檢測外，單芯片電子表解決方案還提高了儀表的長期可靠性。電子表還必須在惡劣條件下非?？煽?，并具有較長的工作壽命。MSP430FE42x 在 3V 電壓下工作時，只需要一個低頻 32kHz 表晶體進行計時，并可在停電情況下啟用超低功耗的待機模式，這就減少了對多晶體的需求，而以前各代儀表都需要多晶體。

停電時，MSP430FE42x在待機模式下運行，實時時鐘處于工作狀態(tài)下耗電僅為

1.1uA。高速系統(tǒng)時鐘在片上計數生成，與晶體分開。如果晶體出現(xiàn)故障，則其將進入自動防護模式，使 MCU 繼續(xù)在最低水平上工作，同時仍能夠提醒公共設施供應商發(fā)生了故障。

系統(tǒng)開發(fā)

MSP430FE42x 器件有完整的片上 JTAG 仿真邏輯。電路內仿真器 (ICE)的使用非常麻煩，常常產生故障，而且不支持精確的模擬開發(fā)，片上仿真邏輯可使設計人員免受這些困擾。MSP430FE42x 的片上仿真非常穩(wěn)定，在模擬信號鏈保持其信號完整性并進行徹底測試和開發(fā)的同時，還可實現(xiàn)同樣的實時運行、步進(step)、斷點等 ICE 系統(tǒng)的仿真功能。

總結

MSP430FE42x 系列使儀表制造商能夠靈活地開發(fā)現(xiàn)代、復雜、精確且低成本的電子儀表。現(xiàn)在系統(tǒng)設計人員可集中精力解決高級的 AMR 實施問題，縮短設計周期并降低開發(fā)成本，使產品獨樹一幟。

關于作者：

Mike Mitchell 是德州儀器 MSP430 產品線的應用工程師。他畢業(yè)于美國得州農工大學 (Texas A&M University)，獲電子工程理學士學位。