【干貨】選擇智能電表的MCU解析

發布時間:2020-09-02

來源:浙江西周電力科技有限公司

智能電表與在全球市場中使用不同的體系結構(以及不同的監管要求)迅速發展。由于他們是在由億萬被推廣到公用事業客戶的過程中,有極大的興趣-并大賞-成功的智能電表設計在其最基本的形式,電表提供的能量和功率測量,數據傳輸,實時時鐘維護和數據顯示儀表的前面板上。

智能電表關鍵設計要求包括以下內容:(1)它們應當以低能量工作,使他們能夠對電池電源長時間運行,(2)它們必須包括安全功能,可以保護通信的內容和安全的存儲的數據?;具€提供單向通信,從而實現電力供應商自動地和遠程讀取儀表使用不同的通信解決方案,包括RF無線,電力線載波,以及通用分組無線系統(GPRS)的數據通信。

智能電表與高級計量基礎設施(AMI)架構提供雙向通信,并提供改進的可靠性和精確度,并監控中斷,并提供遠程斷開的能力以及增加變量關稅滿載激勵消費者轉移峰值負載的選擇的好處。智能電表也可以直接與其他米,與內部的顯示單元,以允許兩個公用事業公司及其客戶更好地管理能源消耗溝通。

作為實現和架構變得越來越復雜,電表需要更多的處理能力和更多的閃存軟件棧,通信協議和固件更新。電表還具有一個通信接口。在美國,很多企業都選擇了ZigBee無線電臺為紐帶的效用,而在歐洲,一些公用事業集團已同意使用電力線通訊節點。MCU的要求 低功耗是智能的基本要求電能表,進而,使功率使用的感測/測量的MCU。低功耗也是有利的,因為即使電表是由電源供電,它們必須能夠使用電池電源如果電源失去了實時時鐘(RTC)保持運行。 微控制器的智能電表應用需要有高分辨率A / D轉換器的電流和電壓測量; 通常是16位或24位A / D轉換速度不是一個問題,所以可以使用轉換器。雙位A / D,通常需要同時測量,并可能需要進行溫度測量和入侵檢測第三個A / D -必須防止篡改電表。數據傳輸將很可能需要使用AES,DES,RSA,ECC或SHA-256進行加密。高EMC抑制的IC減少了對外部元件的需求。和EEPROM可能需要的數據記錄和存儲校準數據。 計量可能是一,二,或三相電能表計量。單相電表在大多數住宅應用普遍。此典型地具有一個電壓和一個電流被測量,并且它支持低到中負荷。雙相電表,這是世界性的并不常見,并且采用主要集中在日本,有兩個電壓和兩個電流進行測量。每個階段是關閉的180度,它通常是大中型載荷。

最后,三相測量通常用于大的辦公空間和工業應用。但是也有一些與相互120異相三個不同的階段。三個電壓和三個電流需要測量,所以需要至少六個ADC獲得的能源消耗和功率因數的瞬時快照。在候選MCU每個A / D可編程增益級的包容性是一個很大的援助,傳感器接口。 在能源計量服務,一個MCU可能需要處理很多事情。

圖1是一功能方框圖,顯示在中心的處理器,也是各種外設處理器,可能需要在一個良好的智能電表設計來處理。

智能電表框圖

圖1:一個典型的智能電表框圖。

所以,現在我們已經定義了智能電表服務的MCU,我們在哪里找到這樣的事情的要求是什么?

這里有幾種可能性。32位電能計量IC 的恩智浦EM773FHN33是一個基于ARM的Cortex-M0,低成本,32位,電能計量IC。它運行在48兆赫,并配有嵌套向量中斷控制器,串行線調試,32 KB的閃存和SRAM的8字節。此外,在其外圍補充,該MCU包括一個I²C總線接口,一個RS-485 / EIA-485 UART,具有SSP功能,一個SPI接口,三個通用計數器/定時器,多達25個通用I / O引腳和一個"計量引擎"設計成收集一負載的電壓和電流輸入來計算有功功率,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,并且部分具有表示1百分比的測量精度。它有一個0.85毫米HVQFN塑料熱增強型,薄型四方扁平封裝與33端子。在電能計量IC是準確的可伸縮輸入源高達230 V / 50赫茲/ 16 A和110 V / 60赫茲/ 20 1%。的16位MCU具有高分辨率ADC 的德州儀器MSP430AFE253IPW低功耗16位位MCU的目標公用事業計量應用與支持超過2,400 0.1%的精度的單相計量模擬前端:1的動態范圍。該MSP430AFE253IPW有三個24位A / D轉換器和閃存的多達16個字節,512字節的RAM,以及溫度測量。 MCU也有一個,速度更快,10位A / D。對于24位A / D給出的精度指標的FS,最大值為0.2%的偏移誤差-這使得約19位轉換器。主動模式電源電流為1 MHz的只有220A,2.2 V和待機為0.5A。它運行在-40℃至85℃。其中A / D的可用于防篡改功能。

還有的MSP430AFE2xx器件系列(圖2)九個版本,并且都具有SPI和UART接口,LCD控制器,16位定時器/的PWM,看門狗和硬件乘法器。這些芯片不具有實時時鐘或數據加密。

TI的MSP430AFE2xx家庭

圖2:TI的MSP430AFE2xx系列提供了SPI和UART接口和一個LCD控制器。

8位或32位選擇

8位飛思卡爾 MC9S08GW MCU(圖3)設有專門的差分放大器和多達16個通道兩個16位A / D轉換器。該器件具有64 KB的閃存,一個RTC具有篡改保護,LCD控制器多達288段,和CRC數據校驗。它運行在高達3.6在20 MHz的2.15 V和高達10 MHz的1.8 V.該芯片采用的是1010毫米或1414毫米LQFP封裝。

飛思卡爾的另一種可能性是他們K30的Cortex-M4型32位MCU與低功耗的段LCD控制器,用于驅動多達320段(圖3)。該PK30X256VLQ100有一個單一的6位A / D轉換器,256 KB的閃存,一個RTC,中斷控制器,和CRC數據校驗。

飛思卡爾K30框圖

圖3:飛思卡爾K30框圖。

微控制器與LCD驅動器和低功耗模式

Microchip的PIC18F87K90是測量一個不錯的選擇,雖然它的24通道A / D轉換僅限于12位分辨率。它有一個實時時鐘,閃光燈128字節和EEPROM的1字節,加上LCD驅動為192個像素和4個外部中斷。在省電模式下,IC的供電電流在60℃的最高600 nA的是。該RTC最多需要4.6A在3.3 V和60℃。在A / D積分線性誤差為&1 LSB的典型,但為6.0 LSB(最大值) -相當蔓延。被指定的微分線性誤差為1典型和+ 3.0 / -1.0最大。這是在工業溫度范圍。不提供加密或篡改打樣。的SOC接近 有所不同的方法采取的是ADI公司,其ADE7880是不是一個真正的MCU但更多的SOC與調整的電子電表應用"計算功能塊"。它是專為三相電能計量和功能的自適應實時監控諧波引擎。 該ADE7880設備采用二階的sigma-delta模擬到數字轉換器(ADC),數字積分器,基準電路,以及所有進行的總(基波和諧波)有功和視在電能的測量,有效值計算,以及基波只有功和無功電能測量所需的信號處理的IC可以監視三個用戶可選擇的諧波,除了的根本。它自動跟蹤基頻和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,和有功,無功和視在功率,功率因數,以及諧波失真,總諧波失真加噪聲(THD + N)的計算。 該ADE7880采用7秒階A / D轉換器,一個數字積分器,基準電路,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,大約需要25 mA到工作。

總結

的這里討論的智能電表應用例如MCU是非常有能力,形成一個智能電表系統的焦點。雖然一些MCU是具有集成的AFE,在其他情況下,信號的捕獲和轉換的要求可以導致使用單獨的模擬前端芯片。在電表中,AFE感測電流和電壓,所述感測的值轉換成數字形式,然后將數字值到微控制器。在所有的情況下,將需要全智能儀表操作的其它部件。智能電表必不可少的外圍設備的設備,如EEPROM芯片并提供線路隔離光耦合器。而且,當然,需要軟件來進行各種數據處理功能,包括使用電力量的計算,和客戶的能源成本的處理。 這就是說,所有提到的MCU的可用現在,并與一個或兩個外部集成電路的完整的智能電表功能,可以實現-在非常低的功耗。


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