智能电表中MCU的选择要求

智能电表正在迅速发展，世界各地的市场使用不同的架构（以及不同的监管要求）。由于它们正在向数以亿计的公用事业客户推出，因此对成功的智能电表设计有很大的兴趣和巨大的回报。

在最基本的形式中，公用仪表在仪表的前面板上提供能量和功率测量，数据传输，实时时钟保养和数据显示。智能电表的主要设计要求包括：（1）它们应以低能耗运行，以便长时间使用电池供电;（2）它们必须包含可保护通信内容和安全性的安全功能。存储的数据。

基本仪表还提供单向通信，使电力供应商能够使用不同的通信解决方案自动和远程读取仪表，包括RF无线，电力线载波和通用分组无线电系统（GPRS）数据通信。

具有高级计量基础设施（AMI）架构的智能电表提供双向通信，并提供提高可靠性和准确性的好处，监控中断的能力，提供远程断开连接以及增加可变关税的选项让消费者转移高峰负荷。智能电表还可以直接与其他电表和内部显示单元通信，以便公用事业公司及其客户更好地管理能耗。

随着实施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，用于软件堆栈，通信协议和固件更新。仪表还具有通信接口。在美国，许多公司已选择ZigBee无线电台作为公用事业的链路，而在欧洲，许多公用事业集团已同意使用电力线通信节点。

MCU要求

低功耗是智能电能表的主要要求，反过来，也是能够感应/测量功率使用的MCU的主要要求。低功耗也是有益的，因为即使电表由电源供电，如果电源丢失，它们必须能够使用电池电源，因此实时时钟（RTC）仍然在运行。

用于智能电表应用的MCU需要具有用于电流和电压测量的高分辨率A/D转换器;通常16位或24位A/D速度不是问题，因此可以使用sigma-delta转换器。通常需要双A/D进行同步测量，并且可能需要第三个A/D进行温度测量和入侵检测 - 这是防止仪表篡改的必要条件。数据传输很可能需要使用AES，DES，RSA，ECC或SHA-256进行加密。具有高EMC抑制性的IC减少了对外部元件的需求。并且可能需要EEPROM来进行数据记录和存储校准数据。

计量可以是单相，两相或三相能量测量。单相电表在大多数住宅应用中很常见。这通常具有一个电压和一个待测电流，并且它支持低到中负载。双相电表在全世界并不常见，主要在日本使用，具有两个电压和两个待测电流。每相偏离180º，通常适用于中到大负载。最后，三相测量通常用于大型办公空间和工业应用。有三个不同的阶段相互120°异相。需要测量三个电压和三个电流，因此需要至少六个ADC来获得能耗和功率因数的瞬时快照。在候选MCU中为每个A/D包含可编程增益级对传感器接口有很大帮助。

在能源计量服务中，MCU可能需要处理很多事情。图1是功能框图，示出了处理器可能需要在良好的智能电表设计中处理的中心处理器以及各种外围设备。

图1：典型的智能电表框图。

现在我们已经定义了MCU用于智能电表服务的要求，我们在哪里可以找到这样的东西？这里有几种可能性。

32位电能计量IC

恩智浦EM773FHN33是一款基于ARM Cortex-M0的低成本32位电能计量IC。它以48 MHz运行，具有嵌套向量中断控制器，串行线调试，32 KB闪存和8 KB SRAM。此外，在其外设补充中，MCU包括I²C总线接口，RS-485/EIA-485 UART，一个具有SSP功能的SPI接口，三个通用计数器/定时器，多达25个通用I/O引脚和“计量引擎”，用于收集电压和电流输入，以计算负载的有功功率，无功功率，视在功率和功率因数。

有两个电流输入和一个电压输入，该部件具有规定的1％的测量精度。它采用7 x 7 x 0.85 mm HVQFN塑料耐热增强型薄型四方扁平封装，带33个端子。对于可扩展的输入源，能量计量IC的精度为1％，最高可达230 V/50 Hz/16 A和110 V/60 Hz/20。

具有高分辨率ADC的16位MCU

德州仪器（TI）MSP430AFE253IPW低功耗16位MCU针对公用事业计量应用，采用单相计量模拟前端，在2，400：1动态范围内支持0.1％的精度范围。 MSP430AFE253IPW具有三个24位Σ-ΔA/D转换器和高达16 KB的闪存，512字节的RAM和温度测量。

该MCU还具有一个更快的10位A/D.给出24位A/D的精度规格是FS最大值的±0.2％的偏移误差 - 这使得它成为一个19位转换器。 1 MHz时的有源模式电源电流仅为220μA，2.2 V，待机电流为0.5μA。它的工作温度范围为-40°C至85°C。其中一个A/D可用于防篡改。

MSP430AFE2xx器件系列共有9个版本（图2），均具有SPI和UART接口，LCD控制器，16位定时器/PWM，看门狗和硬件乘法器。这些芯片没有实时时钟或数据加密。

图2：TI的MSP430AFE2xx系列提供SPI和UART接口以及LCD控制器。

8位或32位选项

8位Freescale MC9S08GW MCU（图3）具有两个16位A/D转换器，带有专用差分放大器和多达16个通道。该器件具有64 KB的闪存，带防篡改功能的RTC，最多288个段的LCD控制器以及CRC数据检查功能。它的工作频率为3.6 MHz至2.15 V时高达20 MHz，1.8 V时高达10 MHz。该芯片采用10 x 10 mm或14 x 14 mm LQFP封装。

飞思卡尔的另一个可能性是他们的基于K30 Cortex-M4的32位MCU，带有一个低功耗段LCD控制器，可驱动多达320个段（图3）。 PK30X256VLQ100具有一个6位A/D转换器，256 KB闪存，一个RTC，一个中断控制器和CRC数据检查。

图3：飞思卡尔K30框图。

具有LCD驱动器和低功耗模式的MCU

Microchip的PIC18F87K90是测量的理想选择，尽管其24通道A/D转换仅限于12位分辨率。它具有实时时钟，128 KB闪存和1 KB EEPROM，以及用于192像素和四个外部中断的LCD驱动器。在掉电模式下，IC的供电电流在60°C时最大为600 nA。 RTC在3.3 V和60°C时最大值为4.6μA。 A/D积分线性误差典型值为±1 LSB，但最大值为±6.0 LSB - 非常均匀。差分线性误差指定为±1典型值和+ 3.0/-1.0最大值。这超出了工业温度范围。未提供加密或篡改校对。

SoC方法

ADI公司采用了一种稍微不同的方法，ADE7880不是真正的MCU，而是更多的SOC，其中“计算模块”针对电子仪表应用进行了调整。它适用于三相电能测量，并具有自适应实时监控谐波引擎。

ADE7880器件集成了二阶Σ-Δ（Σ-Δ）模数转换器（ADC），数字积分器，参考电路以及执行总和（基波和谐波）所需的所有信号处理）有源和视在功率测量，均方根计算，以及仅基波有功和无功电能测量除了基波，IC还可以监控三个用户可选择的谐波。它可以自动跟踪基频并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，有功，无功和视在功率，功率因数，加上谐波失真，以及总谐波失真加噪声（THD + N）计算。

ADE7880集成了七个二阶Σ-ΔA/D转换器，一个数字积分器，参考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，并且运行大约需要25 mA。