嵌入式電表或分表為智能插頭、家用電器和其他耗電設(shè)備等單個產(chǎn)品提供能量監(jiān)控功能。對于產(chǎn)品設(shè)計人員而言，提供這些分表功能的挑戰(zhàn)通常更多地取決于設(shè)計的簡易性以及所需的功率測量精度。在構(gòu)建有效的分表計量解決方案時，工程師可以使用來自ADI、Atmel、Freescale Semiconductor、Maxim Integrated、STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商的各種集成設(shè)備實現(xiàn)所需的簡單性和復(fù)雜性平衡。

　　物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 等趨勢有望顯著提高電子傳感和控制的分辨率，智能設(shè)備的普及幾乎滲透到生活的方方面面。分表提供了幾乎相同類型的改進(jìn)，為房主和企業(yè)運(yùn)營商提供有關(guān)單個產(chǎn)品消耗功率的細(xì)粒度信息。這些設(shè)備不是通過電表測量的總功耗，而是幫助個人更好地了解其家庭和設(shè)施中能源消耗的來源和原因。

　　然而，作為所有電表的基礎(chǔ)，電壓和電流的可靠測量對于計算各種重要參數(shù)（包括有功、無功和視在電能）至關(guān)重要；有功、無功和視在功率；功率因數(shù)；峰值電流和電壓；和RMS電流和電壓。除了這些通用功能之外，隨著開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)對連接性、安全性和監(jiān)控功能的需求不斷增長，智能電表設(shè)計的復(fù)雜性也在不斷發(fā)展（圖 1）。

　　圖 1：電表的復(fù)雜性隨著對準(zhǔn)確性、連接性、安全性和附加功能的更高需求而增加。（德州儀器提供）

　　相比之下，亞表保持更適度的要求，并以盡可能低的成本爭取足夠的能力。在許多情況下，分表設(shè)計可以將要求降低到基本的電能測量，利用嵌入分表功能的主機(jī)應(yīng)用程序中的連接性、安全性和其他功能。此外，功率測量的精度和各種導(dǎo)出參數(shù)的精度隨電能表的類型而顯著變化。公用事業(yè)公司用于計費(fèi)的電表通常需要 0.1% 的準(zhǔn)確度（0.1 級電表）。相比之下，嵌入在家電和智能插頭中的電能表在為用戶提供合適的用電量信息方面的準(zhǔn)確度要求要寬松得多。

　　盡管在高端儀表中能量計算可能相當(dāng)復(fù)雜和廣泛，但所有的能量計量設(shè)計都是從測量瞬時電壓和電流開始的。因此，在其最基本的形式中，能量測量設(shè)計需要傳感器來感測電壓和電流值、模擬前端 （AFE） 來從傳感器捕獲數(shù)據(jù)、處理單元來執(zhí)行能量測量計算，以及一些機(jī)制來執(zhí)行能量測量計算。顯示這些結(jié)果或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒墑e的應(yīng)用程序（圖 2）。在分表中，簡單的電阻分壓器可用作電壓傳感器。對于電流傳感器，設(shè)計人員通?？梢允褂梅至?a target="_blank">電阻器，或者在需要隔離時加入電流互感器或 Rogowski 線圈。

　　圖 2：簡單的要求降低了分表和其他非計費(fèi)電能計量應(yīng)用的設(shè)計復(fù)雜性，甚至在具有集成模擬外設(shè)的 MCU 可以提供足夠的精度時，無需單獨(dú)的模擬前端。（由飛思卡爾半導(dǎo)體提供）

　　對于精度要求不那么嚴(yán)格的分表應(yīng)用，具有集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和其他片上外設(shè)的 MCU 非常適合構(gòu)建簡單而有效的分表設(shè)計。例如，德州儀器MSP430AFE253超低功耗混合信號 MCU 集成了三個具有差分 PGA 輸入的獨(dú)立 24 位 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器、一個 16 位定時器、一個 16 位硬件乘法器、USART 通信接口、看門狗定時器和 11 個 I/O 引腳。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體將其自己的MCF51EM256 MCU 稱為片上智能電表。憑借其集成的 32 位 ColdFire MCU、16 位 ADC 和計量專用外設(shè)，MCF51EM256 針對電能計量應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化——甚至包括用于本地顯示測量的嵌入式 LCD 控制器。借助這些集成 MCU，電能計量使用片上模擬處理功能進(jìn)行測量，使用處理器內(nèi)核進(jìn)行電能計算。因此，使用這些設(shè)備的工程師只需添加幾個外部組件即可構(gòu)建完整的能量測量設(shè)計（圖 3）。

　　圖 3：借助集成 ADC，Texas Instruments MSP430AFE253 等 MCU 為嵌入式電能計量提供了一種簡單而有效的解決方案。（德州儀器提供）

　　當(dāng)需要更精確的測量時，飛思卡爾 Kinetis MKM33計量 MCU 等集成 MCU 可以提供精度為 0.1% 的功率計算。MDK33 MCU基于32位ARM Cortex-M0+內(nèi)核，集成了高精度24位sigma-delta ADC、12通道16位SAR ADC、可編程增益放大器和高精度電壓基準(zhǔn)。

　　多核 MCU 的出現(xiàn)為更復(fù)雜的單芯片亞表設(shè)計提供了有吸引力的解決方案。借助多核器件，設(shè)計人員可以在不影響能量測量的情況下完成復(fù)雜應(yīng)用的執(zhí)行。在這種方法中，一個內(nèi)核可以用作實時處理器進(jìn)行能量測量，而另一個內(nèi)核可以只專注于高級應(yīng)用程序處理。例如 Atmel公司的SAM4CM的SAM4CMS8、SAM4CMS16和SAM4CMS32成員該系列將一對 ARM Cortex-M4 32 位內(nèi)核與片上電能計量 AFE 模塊以及廣泛的嵌入式閃存、SRAM 和片上緩存相結(jié)合。片上電能計量模塊包括多個高分辨率 Σ-Δ ADC、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器和低噪聲可編程增益放大器，能夠適應(yīng)各種電流和電壓傳感器。

　　雖然使用片上 ADC 和相關(guān)外設(shè)可以滿足許多子計量要求，但需要更高測量精度的應(yīng)用可以利用專用計量 IC，該 IC 旨在用作基于 MCU 的設(shè)計的智能 AFE（參見圖 2）。與用于一般數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理的傳統(tǒng) AFE 不同，這些專用設(shè)備集成了模擬外設(shè)和數(shù)字信號處理功能，使它們能夠計算關(guān)鍵能量測量值并將其傳送到主機(jī)處理器。

　　例如，Analog Devices ADE7763（圖 4）電能計量 IC 集成了兩個二階 16 位 Σ-Δ ADC、一個數(shù)字積分器、參考電路、一個溫度傳感器，以及生成有功和視在電能測量、線路電壓周期測量以及電壓和電流通道的 rms 計算。該器件包括一個可選擇的片上數(shù)字積分器，該積分器提供與 Rogowski 線圈等 di/dt 電流傳感器的直接接口，無需外部模擬積分器，同時提供電流和電壓通道之間的精確相位匹配。

　　圖 4：Analog Devices ADE7763 等專用電能測量 IC 增強(qiáng)了傳統(tǒng)模擬前端功能，具有無需主處理器干預(yù)即可執(zhí)行復(fù)雜電能計算的專門功能。（由模擬設(shè)備公司提供）

　　Maxim Integrated 71M6541D計量 SoC 集成了 5 MHz 8051 兼容的 MPU 內(nèi)核、32 位計算引擎、模擬外設(shè)、閃存、RAM、RTC、LCD 驅(qū)動器和 SPI 接口等功能。該器件的模擬處理能力的核心采用了 Maxim Integrated 的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)，包括一個 22 位 delta-sigma ADC、多個模擬輸入、數(shù)字溫度補(bǔ)償和精密電壓基準(zhǔn)。這些片上模擬模塊與 32 位計算引擎相結(jié)合，使該器件能夠以極少的外部組件支持廣泛的計量應(yīng)用。

　　同樣，STMicroelectronics STPM01電能計量 IC 結(jié)合了 sigma-delta ADC 模塊、電壓基準(zhǔn)、穩(wěn)壓器和固定功能 DSP，以提供有功、無功和視在電能，以及電壓和電流的 RMS 和瞬時值。該器件在兩個獨(dú)立通道上執(zhí)行并行 A/D 轉(zhuǎn)換。反過來，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被提供給內(nèi)部 DSP，后者根據(jù)需要過濾和集成這些信號，以提高分辨率并計算所需的測量值。

　　結(jié)論

　　與用于計費(fèi)的高端公用事業(yè)儀表相比，子計量設(shè)計的要求要簡單得多。嵌入在智能插頭、電器和其他耗電產(chǎn)品中，分表設(shè)計可以利用各種可用的 IC 來滿足非常廣泛的精度要求。雖然具有集成模擬功能的 MCU 可以滿足更寬松的精度要求，但 MCU 和專用電能計量 IC 的組合提供了一種精度更高的解決方案。使用可用的 MCU 和計量 IC，工程師可以在設(shè)計簡單性和將能量測量嵌入任何目標(biāo)應(yīng)用所需的測量能力之間找到所需的平衡。