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                【干货】选择↙智能电表的MCU解析

                来源:晨炜电力科技有限公司 发布时间:2020-09-21 11:06:44 浏览次数:
                智能电表与在全球市场中使用不同的体系结构(以及不同○的监管要求)迅速发展。由于他们是在由亿万被推△广到公用事业客户的过程中,有极大的兴趣-并大赏-成功的智能电表设计在其最基本的形式,电表提供的能量和功率测量,数据传输,实时〗时钟维护和数据显示仪表的前面板上。

                智能电表关键设计要求包括以下内容:(1)它们应当以低能量工作,使他们能够对电池电源长时间运行,(2)它☉们必须包括安全功能,可以保护通信的内容和安全的存储的数据。基本◆还提供单向通信,从而实现电力供应商自动地和远程读取仪表使用不同的通信解决方案,包括RF无线,电力线载波,以及通用分组无线系统∴(GPRS)的数据通■信。

                智能电表与高级计量基础设施(AMI)架构提供双向通信,并提供改进的可靠性和精确度,并监ㄨ控中断,并提供远程断开的能力以及增加变量关税满载激励消费者转卐移峰值负载的选择的好处。智能电表也可以直接与其他米,与内部的显示单元,以允许两个公用事业公司及其客户更好地管♂理能源消耗沟通。

                作为实现和架构变得越来越复杂,电表需要更多的处理能力和更多的闪存软件栈,通信协☆议和固件更新。电表还具有一个通信接口。在美国,很多企业都选择了ZigBee无线电台为纽带的效用,而在欧洲,一些公用事业集团已同意使用电力线通讯节点。MCU的要求 低功耗是智能的基本要求电能〖表,进而,使功率使用的感测/测量的MCU。低功耗也是有利的,因为即使电表是由电源供电,它们必须能够使用电池电源如ω 果电源失去了实々时时钟(RTC)保持运行。 微控制器的智能电表应用需要有】高分辨率A / D转换器的电流和电压测量; 通常是16位或24位A / D转换速度不是一个问题,所以可以使用转换器。双位A / D,通常需要同时测量,并可能需要进行温♀度测量和入侵检测第三个A / D -必须防止篡改电表。数据传输将很可能需要使用AES,DES,RSA,ECC或SHA-256进行加密。高EMC抑制的IC减少了对外部元件的需求。和EEPROM可能需□要的数据记录和存储校准数据。 计量可能是一,二,或三相电能√表计量。单相电表在大多数住宅应用普遍。此典型地具有一个电压和一个电流被测量,并且它支持低到中负荷。双相电表,这是世界性的并不常见,并且∮采用主要集中在日本,有两个电压和两个电流进行测量。每个阶段是关闭的180度,它通常是大中型载荷。

                最后,三相测量通常用于大的办公№空间和工业应用。但是也有一些与相互120异相三个不同的阶段。三个电压和三个电流需要测量,所以需要至少六个ADC获得的能源消耗和功率因数的瞬时快照。在候选MCU每个A / D可编程增益级的包容性是一个很大的援助,传感器▲接口。 在能源计量服务,一个MCU可能需要处理很多事情。

                图1是一功能方框图,显示在中□ 心的处理器,也是各种外设处理器,可能需要在一个良好的智能电表设计来处理。

                智能电表框图

                图1:一⌒ 个典型的智能电表框图。

                所以,现在我们已经定义了智能电表服务的MCU,我们在哪里找到这样的事情的要求是什么?

                这里有几种可能性。32位电能计量IC 的恩智浦EM773FHN33是一个基于ARM的Cortex-M0,低成本,32位,电能计量IC。它运行在48兆赫,并配¤有嵌套向量中断控制器,串∮行线调试,32 KB的闪存和SRAM的8字节。此外,在其外围补充,该MCU包括一个I&sup2;C总线接口,一个RS-485 / EIA-485 UART,具有SSP功能,一个SPI接口,三个通用计数器/定时器,多达25个通用I / O引脚和一个"计量引擎"设计成收集一负载的电≡压和电流输入来计算有功功率,无功功率,视々在功率和功率因数。 有两个电流输入和一个电压输入,并且部分具有表示1百分比的测量精度。它有一个0.85毫米HVQFN塑料热◥增强型,薄型四方扁平封装与33端子。在电能计量IC是准确的可伸缩输入源高达230 V / 50赫兹/ 16 A和110 V / 60赫兹/ 20 1%。的16位MCU具有高分辨率ADC 的德▂州仪器MSP430AFE253IPW低功耗16位位MCU的目标公用事业计量应用与支持超过2,400 0.1%的精度的单↑相计量模拟前端:1的动态范围。该MSP430AFE253IPW有三个24位A / D转换器和闪存的多达16个字节,512字节的RAM,以及温度测量。 MCU也有一个,速度更快,10位A / D。对于24位A / D给出的精度指标的∩FS,最大值为0.2%的偏移误差-这使得约19位转换器。主动模式电源电流为1 MHz的只有220A,2.2 V和待机为0.5A。它运行在-40℃至85℃。其中A / D的可用于防篡改功能。

                还有的MSP430AFE2xx器件系列(图2)九个版本,并且都具有SPI和UART接口,LCD控制器,16位定时器/的PWM,看门狗和硬件乘法器。这些芯片不具有实时时钟或数据加№密。

                TI的MSP430AFE2xx家庭

                图2:TI的MSP430AFE2xx系列提供了SPI和UART接口和一个LCD控制器。

                8位或32位选择

                8位飞思卡尔 MC9S08GW MCU(图3)设有专门的差分放大器和多达16个通道两个16位A / D转换器。该器件具有64 KB的闪存,一个RTC具有篡改保护▲,LCD控制器多达288段,和CRC数据校验。它运︻行在高达3.6在20 MHz的2.15 V和高达10 MHz的1.8 V.该芯片采用的是1010毫米或1414毫米LQFP封装。

                飞思卡尔的另一种⌒可能性是他们K30的Cortex-M4型32位MCU与低功耗的段LCD控制器,用于驱动多达320段(图3)。该PK30X256VLQ100有一个单一的6位A / D转换器,256 KB的闪存,一个RTC,中断控制器,和CRC数据校验。

                飞思卡尔K30框图

                图3:飞思卡尔K30框图。

                微控制★器与LCD驱动器和低功耗模式

                Microchip的PIC18F87K90是测量一个不错的选择,虽然它的24通道A / D转换仅限于12位分辨率。它有一个实时时▃钟,闪光灯128字节和EEPROM的1字节,加上LCD驱动为192个像素和4个外部中断。在省电模式下,IC的供电电流在60℃的最高600 nA的是。该RTC最多需要4.6A在3.3 V和60℃。在A / D积分线性误差为&1 LSB的典型,但为6.0 LSB(最大值) -相当蔓延。被指定的微分线性误差为1典型和+ 3.0 / -1.0最大。这是在工业温度范围。不提供加密或篡改打样。的SOC接近 有所不同的方法采取的是ADI公司,其ADE7880是不是一个真正的MCU但更多的SOC与调整的电子电表应用"计算功能块"。它是专为三相电能计量和功能的自适应实时监控谐波引擎。 该ADE7880设备采用二阶的sigma-delta模拟到数字转换器(ADC),数字积分器,基准电路,以及所有▂进行的总(基波和谐波)有功和视在电能的测量,有效值计算,以及基波只有功和无功电能测量所需的↘信号处理的IC可以监视三个用〒户可选择的谐波,除了的根本。它自动跟踪基频和提供实时谐波测量更新。谐波分析包括电流有效值,电压有效值,和有功,无∩功和视在功率,功率因数,以及谐波失真,总谐波失真加噪声(THD + N)的计算。 该ADE7880采用7秒阶A / D转换器,一个数字积分器,基准电路,以及所需的所有信号处理能力。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标准,大约需要25 mA到工作。

                总结

                的这里讨论的智能电表应用例如MCU是非常有能☆力,形成一个智能电表系统的焦点。虽然一些MCU是具有集成的AFE,在其他情况下,信号的捕获和转换的要求可以导致使用单独的模拟前端芯片。在电表中,AFE感测电流和电压,所述感测的值转换成数字形式,然后将数字值到微控制器。在所有的情况下,将需要全智能仪表操作的其它部件。智能电表必不可少的外围设备的设备,如EEPROM芯片并提供线路隔离光耦合器。而且,当然,需要软件来进行各种数据处理功能,包括使用电力量的计算,和客户的能源成本的处理。 这就是说,所有提到的MCU的可用现在,并与一个或两个外部集成电路的完整的智能电表功能,可以实现-在非常低的功耗。