單相能量計變得更簡(jiǎn)單更先進(jìn)

完整的封裝

MSP430FE42x 集成了一個(gè) 16 位基于閃存的 MCU 以及用于顯示與 AMR 通信的附加外設。為了優(yōu)化能量處理，MSP430FE42x 提供的計量功能是專(zhuān)用的嵌入式信號處理器 (ESP)，稱(chēng)作 ESP430CE1。ESP430CE1 自動(dòng)進(jìn)行傳送進(jìn)來(lái)模擬信號的增強、采樣與轉換，并計算瞬時(shí)與平均功率以及其它數個(gè)參數，如功率因數、表觀(guān)功率、無(wú)功功率等。這就解放了主中央處理器 (CPU) 及其集成閃存（高達 32kB）和 1kB RAM，可用于實(shí)現獨特的應用功能。MSP430FE42x 結構圖見(jiàn)圖 2。

CPU 可提供每秒 800 萬(wàn)指令 (MIPs) 的性能，即使對最復雜的 AMR 與通信功能而言也足夠了。此外，集成閃存可自編程，因此系統可不再需要外部非易失存儲器（通常用于校準數據與單位確認）。校準數據、串行數字乃至能量消耗數據都直接存儲于集成閃存中。

設計人員還可獲得額外的集成外設，例如兩個(gè) 16 位計時(shí)器、PWM 輸出功能、一個(gè)用于串行通信的USART，一個(gè)用于自動(dòng)防護運行的看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)高度靈活的帶有晶體故障檢測的計時(shí)系統、一個(gè) 128 段 LCD 控制器、一個(gè)集成電源電壓監控器，以及專(zhuān)利的超低功率電力減弱檢測器（所需的電流消耗小于 50 納安）。無(wú)需外部器件，這樣的外設組合即可在片上實(shí)施紅外線(xiàn)或射頻等各種先進(jìn)的通信功能。

嵌入式信號處理器

MSP430FE42x 有一個(gè)嵌入式信號處理器 ESP430CE1，它執行所有測量與計算功能，是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為電子計量應用而設計的固定功能外設。它包括三個(gè)完全獨立、完全差動(dòng)、同時(shí)采樣的二級 16 位Σ-Δ ADC。每個(gè) ADC 都有其各自的可編程增益放大器 (PGA)，采樣速率達到 1Mhz。各用一個(gè)通道進(jìn)行電壓測量與電流測量，并用第三個(gè)通道進(jìn)行火線(xiàn)與零線(xiàn) (line-to-Neutral) 測量，這樣就能在三線(xiàn)系統中進(jìn)行篡改檢測（圖3）。ADC 還用一個(gè)集成的 1.25V 參考電壓進(jìn)行轉換，或者也會(huì )用外部的1.25V 參考電壓。

在被轉換的電壓與電流信號進(jìn)行數字處理時(shí)，將返回峰值電壓與電流、能量與線(xiàn)路周期 (line period) 測量結果以及逆向電力傳輸顯示 (negative power flow indication)。ESP430CE1 執行必要的計算，提供精確的工作能量、表觀(guān)能量、RMS 電壓、電流與波形采樣，并給出電流與電壓通道間精確的相位匹配。這些值對公共設施供應商而言相當重要，因為大多數家庭負載不是電容性較強，就是感應性較強。該方法比機械式儀表有了較大改進(jìn)，因為機械式儀表無(wú)法準確測量上述負載，會(huì )導致公共設施供應商的收入損失。

ESP430CE1 出貨時(shí)已經(jīng)預編程，并使用自帶專(zhuān)用的優(yōu)化 CPU、硬件乘法器、RAM 與 ROM。為了進(jìn)一步減少外部組件，還集成了溫度傳感器，這就進(jìn)一步實(shí)現了惡劣條件下較大溫度波動(dòng)的補償。ESP430CE1 與主 MSP430FE42x CPU 之間實(shí)施郵箱通信方案，從而進(jìn)行配置與返回測量結果。

靈活的傳感器接口

MSP430FE42x 與傳感器直接用接口連接，以測量執行能量計算所需的電流與電壓。由于集成了 PGA-ADC 信號鏈，因此不需要外部信號調節。MSP430FE42x 測量電流時(shí)既支持變流器 (CT)，也支持分路器（圖 1）。即使使用混合類(lèi)型的傳感器，也可為傳感器自動(dòng)提供先進(jìn)的相位校準與校正。

CT 實(shí)現了電絕緣，并為主電流提供了精確的電壓信號。在選擇 CT 時(shí)，必須考慮到直流 (DC) 容差，以避免 CT 飽和。MSP430FE42x 將自動(dòng)校正 CT 產(chǎn)生的相移。CT 的正確選擇取決于電壓信號的變化范圍，其必須滿(mǎn)足各個(gè)器件精度等級的業(yè)界標準所規定的要求。在亞洲，標準由 IEC 1036 規定。

每個(gè) PGA 都有 1 至 32 的可選增益，這就能夠使用低至 250uOhm-300uOhm 的分流電阻。每個(gè)PGA-ADC 通道的內部偏移在模塊處初始化時(shí)通過(guò)進(jìn)行輸入短路并測量可自動(dòng)去除。

精度

16 位Σ-Δ ADC 對測量而言具有較大的動(dòng)態(tài)輸入范圍。這對正確測量相當重要，因為電流消耗既可能小到幾個(gè)毫安，又可能大至數十安培。在 1000 至 1 的動(dòng)態(tài)電流范圍內，基于 MSP430FE42x 電表的測量性能精度高達 0.1%，大大超過(guò)了通常電表所要求的 2% 的精度。

此外，ADC 的轉換速率達每秒 4096 次，即使在快速交換瞬態(tài)負載下可測量到 50 或 60Hz 主頻率的第 20 次諧波，這符合 IEC 1036 標準。

篡改檢測

如果 ESP430CE1 配置為僅檢測能量的模式，則一個(gè) ADC 通道測量單電流傳感器，另一個(gè) ADC 通道測量電壓。第三個(gè) ADC 通道用于片上溫度測量。在這種模式下，只有在干線(xiàn)電壓斷開(kāi)或者電壓或電流連接反極性時(shí)才能進(jìn)行篡改檢測。

但是，ESP430CE1 帶有能量檢測加篡改檢測模式，使用兩個(gè)電流傳感器與兩個(gè) ADC 通道。一個(gè)用于能量測量，另一個(gè)測量零線(xiàn)的電流。ESP430CE1 自動(dòng)比較兩個(gè)電流測量結果，兩個(gè) RMS 中較大的值將用于能量計算。此外，系統設計人員還可設置可編程的閾值，這樣，如果 ESP430CE1 檢測到負載差值大于閾值，那么就會(huì )設置篡改標志，而主 MSP430FE2x CPU 則能夠通過(guò)儀表的通信功能提醒公共設施供應商。該模式還支持檢測干線(xiàn)極性倒轉或斷開(kāi)。

可靠性

除了可進(jìn)行篡改檢測外，單芯片電子表解決方案還提高了儀表的長(cháng)期可靠性。電子表還必須在惡劣條件下非?？煽?，并具有較長(cháng)的工作壽命。MSP430FE42x 在 3V 電壓下工作時(shí)，只需要一個(gè)低頻 32kHz 表晶體進(jìn)行計時(shí)，并可在停電情況下啟用超低功耗的待機模式，這就減少了對多晶體的需求，而以前各代儀表都需要多晶體。

停電時(shí)，MSP430FE42x在待機模式下運行，實(shí)時(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)下耗電僅為

1.1uA。高速系統時(shí)鐘在片上計數生成，與晶體分開(kāi)。如果晶體出現故障，則其將進(jìn)入自動(dòng)防護模式，使 MCU 繼續在最低水平上工作，同時(shí)仍能夠提醒公共設施供應商發(fā)生了故障。

系統開(kāi)發(fā)

MSP430FE42x 器件有完整的片上 JTAG 仿真邏輯。電路內仿真器 (ICE)的使用非常麻煩，常常產(chǎn)生故障，而且不支持精確的模擬開(kāi)發(fā)，片上仿真邏輯可使設計人員免受這些困擾。MSP430FE42x 的片上仿真非常穩定，在模擬信號鏈保持其信號完整性并進(jìn)行徹底測試和開(kāi)發(fā)的同時(shí)，還可實(shí)現同樣的實(shí)時(shí)運行、步進(jìn)(step)、斷點(diǎn)等 ICE 系統的仿真功能。

總結

MSP430FE42x 系列使儀表制造商能夠靈活地開(kāi)發(fā)現代、復雜、精確且低成本的電子儀表?，F在系統設計人員可集中精力解決高級的 AMR 實(shí)施問(wèn)題，縮短設計周期并降低開(kāi)發(fā)成本，使產(chǎn)品獨樹(shù)一幟。

關(guān)于作者：

Mike Mitchell 是德州儀器 MSP430 產(chǎn)品線(xiàn)的應用工程師。他畢業(yè)于美國得州農工大學(xué) (Texas A&M University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。