嵌入式功率計(jì)或分表為各種產(chǎn)品提供能源監(jiān)控功能，如智能插頭，家用電器和其他耗電設(shè)備。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)的簡(jiǎn)易性以及功率測(cè)量所需的精度。在構(gòu)建有效的分表解決方案時(shí)，工程師可以使用ADI，Atmel，F(xiàn)reescale Semiconductor，Maxim Integrated，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的各種集成器件，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性之間的平衡。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等趨勢(shì)有望大大提高電子傳感和控制的分辨率，智能設(shè)備的擴(kuò)散幾乎可以滲透到生活的各個(gè)方面。子電表提供了大致相同的改進(jìn)，為房主和商業(yè)運(yùn)營(yíng)商提供了關(guān)于單個(gè)產(chǎn)品消耗的電力的細(xì)粒度信息。這些設(shè)備不是通過電力公用事業(yè)計(jì)量表測(cè)量的總功耗，而是幫助個(gè)人更好地了解家庭和設(shè)施中能源消耗的來源和原因。

然而，所有電表的基礎(chǔ)，電壓和電流的可靠測(cè)量對(duì)于計(jì)算各種重要參數(shù)（包括有功，無功和視在能量）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)人員對(duì)連接，安全性和監(jiān)控功能的要求不斷提高，智能電表設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也在不斷提高（圖1）。

圖1：隨著對(duì)精度，連接性，安全性和附加功能的更高需求，能量計(jì)復(fù)雜性也隨之增加。 （由德州儀器公司提供）

相比之下，子電表保持更為適度的要求，并以盡可能低的成本爭(zhēng)取足夠的能力。在許多情況下，子電表設(shè)計(jì)可以將要求降低到基本能量測(cè)量，利用嵌入子電表功能的主機(jī)應(yīng)用程序中包含的連接性，安全性和其他功能。此外，功率測(cè)量和各種導(dǎo)出參數(shù)的準(zhǔn)確度隨能量計(jì)的類型而顯著變化。公用事業(yè)公司用于計(jì)費(fèi)目的的功率計(jì)通常要求0.1％的準(zhǔn)確度（0.1米級(jí)）。相比之下，嵌入在電器和智能插頭中的電能表在向用戶提供合適的功耗信息方面具有明顯更寬松的精度要求。

雖然能量計(jì)算在高端儀表中非常復(fù)雜和廣泛，但所有能量計(jì)量設(shè)計(jì)都從測(cè)量瞬時(shí)電壓和電流開始。因此，在最基本的形式中，能量測(cè)量設(shè)計(jì)需要換能器來感測(cè)電壓和電流值，模擬前端（AFE）用于捕獲來自傳感器的數(shù)據(jù)，處理單元用于執(zhí)行能量測(cè)量計(jì)算，以及一些機(jī)制顯示這些結(jié)果或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒?jí)別的應(yīng)用程序（圖2）。在子表中，簡(jiǎn)單的電阻分壓器可用作電壓傳感器。對(duì)于電流傳感器，設(shè)計(jì)人員通?？梢允褂梅至麟娮?- 或在需要隔離時(shí)采用電流互感器或Rogowski線圈。

圖2：簡(jiǎn)單的要求簡(jiǎn)化了分表和其他非計(jì)費(fèi)能量計(jì)量應(yīng)用的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，甚至無需單獨(dú)的模擬前端 - 當(dāng)具有集成模擬外設(shè)的MCU能夠提供足夠的精度時(shí)結(jié)束。 （由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供）

對(duì)于精度要求不太嚴(yán)格的子測(cè)量應(yīng)用，帶有集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和其他片上外設(shè)的MCU非常適合構(gòu)建簡(jiǎn)單而有效的子電表設(shè)計(jì)。例如，德州儀器（TI）MSP430AFE253超低功耗混合信號(hào)MCU集成了三個(gè)獨(dú)立的24位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，具有差分PGA輸入，一個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)16位硬件乘法器，USART通信接口，看門狗定時(shí)器和11個(gè)I/O引腳。

飛思卡爾半導(dǎo)體推出自己的MCF51EM256 MCU，作為智能電表芯片。憑借其集成的32位ColdFire MCU，16位ADC和計(jì)量專用外設(shè)，MCF51EM256針對(duì)電能計(jì)量應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化 - 甚至包括用于本地測(cè)量顯示的嵌入式LCD控制器。通過這些集成的MCU，電能計(jì)量使用片上模擬處理功能進(jìn)行測(cè)量，并使用處理器內(nèi)核進(jìn)行能量計(jì)算。因此，使用這些設(shè)備的工程師只需添加一些外部組件即可構(gòu)建完整的能量測(cè)量設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3：借助集成ADC，德州儀器（TI）MSP430AFE253等MCU為嵌入式電能計(jì)量提供了一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案。 （德州儀器公司提供）

當(dāng)需要更精確的測(cè)量時(shí)，集成的MCU（如飛思卡爾Kinetis MKM33計(jì)量MCU）可以提供0.1％精度的功率計(jì)算。 MDK33 MCU基于32位ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，集成了高精度24位Σ-ΔADC，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)雜的單芯片子電表設(shè)計(jì)提供了極具吸引力的解決方案。利用多核器件，設(shè)計(jì)人員可以完成復(fù)雜應(yīng)用的執(zhí)行，而不會(huì)影響能量測(cè)量。在這種方法中，一個(gè)核心可以用作能量測(cè)量的實(shí)時(shí)處理器，而另一個(gè)核心可以僅關(guān)注高級(jí)應(yīng)用程序處理。例如，該公司SAM4CM系列的Atmel SAM4CMS8，SAM4CMS16和SAM4CMS32成員將一對(duì)ARM Cortex-M4 32位內(nèi)核與片上電能計(jì)量AFE模塊，以及廣泛的嵌入式閃存，SRAM和芯片緩存。片上電能計(jì)量模塊包括多個(gè)高分辨率Σ-ΔADC，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。

雖然片上ADC和相關(guān)外設(shè)的使用可以滿足許多分表要求，但要求更高測(cè)量精度的應(yīng)用可以利用專用計(jì)量IC，這些IC專為基于MCU的設(shè)計(jì)提供智能AFE（參見圖2）。與用于一般數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)節(jié)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(hào)處理功能，使他們能夠計(jì)算并向主處理器提供關(guān)鍵能量測(cè)量。

例如，ADI公司的ADE7763（圖4）電能計(jì)量IC集成了兩個(gè)二階16位Σ-Δ型ADC，一個(gè)數(shù)字積分器，一個(gè)參考電路，一個(gè)溫度傳感器，以及所有生成有源和視在電能測(cè)量，線電壓周期測(cè)量以及電壓和電流通道上的均方根計(jì)算所需的信號(hào)處理能力。該器件包括一個(gè)可選擇的片上數(shù)字積分器，可為di/dt電流傳感器（如Rogowski線圈）提供直接接口，無需外部模擬積分器，同時(shí)在電流和電壓通道之間提供精確的相位匹配。

圖4：專用的能量測(cè)量IC，例如ADI公司的ADE7763，增強(qiáng)了傳統(tǒng)的模擬前端功能，具有執(zhí)行復(fù)雜能量計(jì)算的專用功能，無需干預(yù)主處理器。 （由Analog Devices提供）

Maxim Integrated 71M6541D測(cè)量SoC集成了一個(gè)5 MHz 8051兼容的MPU內(nèi)核，一個(gè)32位計(jì)算引擎，模擬外設(shè)，閃存，RAM，RTC，LCD驅(qū)動(dòng)器，以及SPI接口等功能。該器件的模擬處理能力的核心是采用Maxim Integrated的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)，包括22位Δ-ΣADC，多個(gè)模擬輸入，數(shù)字溫度補(bǔ)償和精密電壓基準(zhǔn)。結(jié)合32位計(jì)算引擎，這些片上模擬模塊允許器件支持各種外部元件的計(jì)量應(yīng)用。

同樣，STMicroelectronics STPM01電能計(jì)量IC結(jié)合了Σ-ΔADC模塊，電壓基準(zhǔn)，穩(wěn)壓器和固定功能DSP，可提供有功，無功和視在電能，以及RMS和瞬時(shí)電壓值和當(dāng)前。該器件在兩個(gè)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，內(nèi)部DSP根據(jù)需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波和積分，以提高分辨率并計(jì)算所需的測(cè)量值。

結(jié)論

分表設(shè)計(jì)可以顯著提供與用于計(jì)費(fèi)的高端公用事業(yè)計(jì)量表相比，要求更簡(jiǎn)單。嵌入式智能插頭，電器和其他耗電產(chǎn)品，子電表設(shè)計(jì)可以利用各種可用的IC來滿足各種精度要求。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(jì)量IC的組合可提供更高精度的解決方案。利用可用的MCU和計(jì)量IC，工程師可以在任何目標(biāo)應(yīng)用中嵌入能量測(cè)量所需的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便性和測(cè)量能力之間找到所需的平衡。