利用面向高級電力管理和工業(yè)控制的多通道單轉換器架構

如今的電力管理和工業(yè)自動(dòng)化應用常常需要將多個(gè)傳感器的測量數據送到本地的嵌入式處理器來(lái)實(shí)時(shí)處理，這些嵌入式處理器則針對特定應用的需求進(jìn)行了優(yōu)化。

不管系統的任務(wù)是防止篡改居民電表讀數，針對工廠(chǎng)電力分配提供完全可調的斷路器接合特性，還是依據多個(gè)傳感器的輸入來(lái)控制生產(chǎn)自動(dòng)化過(guò)程，其基本的架構挑戰非常相似。有效的解決方案需要一整套高效的模擬信號處理、精密A/D轉換、對多通道混合信號輸入的可編程同步處理，以及與基于微處理器的更高級別功能的整合，如I/O、閃存、LCD顯示器接口等等。

正如本文所討論的那樣，先進(jìn)的混合信號SoC的演變有助于推進(jìn)電力行業(yè)向固態(tài)計量變遷，與此同時(shí)還降低了成本并通過(guò)多相多通道處理技術(shù)改進(jìn)了防止篡改讀數的功能。目前，這些相同的基礎性混合信號SoC架構還在為更低成本、更高性能的能量管理、過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應用提供更有效的解決方案。

早期的固態(tài)電表設計要用多片IC來(lái)完成所需的功能組合。例如，一個(gè)微控制器負責管理和控制任務(wù)，同時(shí)由多個(gè)A/D轉換器處理計量功能。隨后是進(jìn)一步的集成，大的電表制造商獨立地開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的ASIC來(lái)處理A/D轉換。然而，新的計量需求的持續演變再加上競爭壓力使依賴(lài)固定功能ASIC與通用微控制器組合的缺點(diǎn)及不靈活性暴露無(wú)遺。

伴隨著(zhù)高集成度混合信號SoC設計的問(wèn)世，電表設計出現了一個(gè)大躍進(jìn)，電表制造商獲得了實(shí)現高性能、低成本計量應用的單芯片可編程解決方案，同時(shí)仍然為產(chǎn)品的差異化提供了充分的機會(huì )。

除了單芯片SoC集成的固有好處外，獲得成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是混合信號A/D轉換和多通道集成功能的設計。例如，Teridian公司的71M651x架構中的專(zhuān)利技術(shù)Single Converter Technology(單轉換器技術(shù))使用了一個(gè)21位的二階Δ-∑型A/D轉換器，它最多可處理7路模擬輸入并有一個(gè)可編程計算引擎(CE)。這個(gè)32位的CE接收并處理來(lái)自該21位A/D轉換器的所有傳感器數據，而且它的運行獨立于負責更高級系統管理和外部接口任務(wù)的片上8位微控制器內核。這種功能的劃分使得混合信號計量子系統可以提供高速度、高可靠性和出色的動(dòng)態(tài)量程，同時(shí)沒(méi)有外部中斷的負擔或不必要的處理額外開(kāi)銷(xiāo)(參見(jiàn)圖1)。

業(yè)界的經(jīng)驗已經(jīng)表明，與為每個(gè)通道專(zhuān)門(mén)分配一個(gè)A/D轉換器的架構相比，多路復用的系統一般能提供最低的成本。不過(guò)，多路復用的系統是采用開(kāi)關(guān)電路來(lái)掃描許多條輸入通道，輪流采樣每條通道以便由單一的A/D轉換器來(lái)處理有關(guān)數據。多路復用向系統設計人員提供了增益的一致性、偏置的一致性，降低了通道之間的串擾，因而是一種設計靈活和成本較低的解決方案。

一個(gè)多路復用的方法尤其適合于具有多個(gè)獨立輸入信號但其性質(zhì)類(lèi)似的應用，如電力測量和許多工業(yè)自動(dòng)化應用，包括過(guò)程控制傳感器測量和電機控制。一個(gè)關(guān)鍵的需求就是保存各個(gè)通道之間的相位信息，以便使一個(gè)多路復用系統中的CE能對不同通道完成“同步”測量。此外，與為每個(gè)通道專(zhuān)門(mén)分配單獨的A/D轉換器的架構相比，單轉換器技術(shù)提供了較低的通道之間串擾，這是電力測量應用中的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。

混合信號、多通道SoC架構的固有靈活性可被充分用于實(shí)現各種高級計量功能，從1相/2輸入的基本住宅電力計量一直到3相/7輸入的高端商用電力表。它可以通過(guò)編程補償內部和/或外部溫度波動(dòng)并支持有功功率、無(wú)功功率、RMS和其它測量功能，幾乎涉及各種傳感器輸入的任意組合，包括電阻分路器、電流變壓器或Rogowski線(xiàn)圈。

圖1：Teridian的71M651x架構是一個(gè)典型的多路復用系統

這種靈活性使得儀表制造商和電力供應公司進(jìn)一步降低成本，它們可以讓智能計量引擎充分利用較低成本的傳感器技術(shù)。例如，在多相計量中，電流變壓器已經(jīng)普遍用于中性線(xiàn)電流測量以檢測竊電狀況，而Rogowski線(xiàn)圈可以作為一種首選的解決方案，因為它不使用一個(gè)金屬芯，對磁竊電的抵抗力相對要強，成本也比帶屏蔽的電流變壓器要便宜大約20%。Rogowski線(xiàn)圈的缺點(diǎn)在于其差分輸出必須用電子方式整合以提供所需的電流讀數，在過(guò)去這樣做必需昂貴的附加外部電路。

由于這些功能現在可以由一個(gè)可編程的CE進(jìn)行內部處理和實(shí)現，因此業(yè)界正經(jīng)歷著(zhù)一個(gè)成本劇減的時(shí)期，其做法就是用Rogowski線(xiàn)圈實(shí)現防竊電功能。這對于在發(fā)展中國家運營(yíng)的供電企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要的優(yōu)勢，例如在中國、印度、俄羅斯、東歐和南美，用電的迅速增長(cháng)和竊電帶來(lái)的風(fēng)險必須一并解決。

可編程、多通道的混合信號SoC架構的固有靈活性還使得它成為實(shí)現各種各樣其它應用的理想架構。例如，一個(gè)自動(dòng)反饋控制回路的建立很容易通過(guò)連接來(lái)自一個(gè)或多個(gè)測量功率、壓力、位置、振動(dòng)、流量、溫度或濕度傳感器的輸入并把其輸出連接到一個(gè)過(guò)程控制器來(lái)實(shí)現，如可編程邏輯控制器(PLC)、運動(dòng)控制器或工業(yè)自動(dòng)化系統中常見(jiàn)的其它控制系統。

還可以通過(guò)對SoC的內部計算引擎編程來(lái)補償傳感器輸入的特殊波動(dòng)，使得該系統可以為特定的測量進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)把該器件連接到一個(gè)負載單元，它可以作為一個(gè)既考慮商業(yè)及工業(yè)成本問(wèn)題又滿(mǎn)足精度需求的均衡器。另一個(gè)重要的應用是把該器件用作一個(gè)“電子接合單元”，其實(shí)現方法是編程確定其開(kāi)關(guān)閾值和延遲屬性并監測電力線(xiàn)瞬間干擾。該器件可用在工業(yè)電力線(xiàn)斷路器中，保護工業(yè)制造和封裝設備。

總而言之，采用基于SoC的智能混合信號、多通道可編程器件已經(jīng)刺激計量應用的功能、特性邁向一個(gè)新的臺階，成本也得到進(jìn)一步的降低。目前，相同的基礎芯片級架構已準備好為改進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化和控制創(chuàng )造全新的機會(huì )。