引言

諸如智能插頭和電器電度表等輔助計(jì)量 (sub-metering) 應(yīng)用使消費(fèi)者能夠了解和控制其電能使用狀況。其他的輔助計(jì)量應(yīng)用(如服務(wù)器功率表)則可幫助 IT 部門優(yōu)化服務(wù)器群的功耗。在設(shè)計(jì)輔助計(jì)量表時(shí)，像傳感器、模擬前端 (AFE) 組件和微控制器 (MCU) 的選擇之類的考慮因素對(duì)于決定總體系統(tǒng)成本與復(fù)雜性有著舉足輕重的影響。作為一款有效的實(shí)施方案，其應(yīng)易于設(shè)計(jì)并具有低量產(chǎn)成本，同時(shí)滿足應(yīng)用的主要需求 - 可靠地測(cè)量和報(bào)告電能消耗信息。本文將討論 MSP430AFE2xx IC1 在能耗測(cè)量應(yīng)用中的特性與優(yōu)勢(shì)。雖然 MSP430AFE2xx 完全適合公用事業(yè)級(jí)電力表中的能耗測(cè)量，不過本文將專門討論其在輔助計(jì)量中的應(yīng)用。在本文中，輔助計(jì)量指的是非公用事業(yè)型的電能計(jì)量應(yīng)用，例如：智能插頭、電器電度表和服務(wù)器功率表。

輔助計(jì)量表的功能

輔助計(jì)量表的形式可以是智能插頭(見圖 1)，也可以集成在電器設(shè)備(見圖 2)或服務(wù)器中。不管是哪一種形式，輔助計(jì)量表通常執(zhí)行的是下列功能：

· 測(cè)量某種電器設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗。

· 將能耗數(shù)據(jù)傳送給用戶。這可以利用輔助計(jì)量表自身上的一個(gè)簡單的 LCD 讀出器完成?；蛘?，輔助計(jì)量表也能夠以無線或有線通信的方法將數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)遠(yuǎn)程終端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術(shù)，而后者則使用串行端口或電力線通信 (PLC) 技術(shù)。

· 輔助計(jì)量表可以選擇具備對(duì)輸送至電器設(shè)備的功率實(shí)施調(diào)節(jié)的能力。例如：在尖峰負(fù)荷時(shí)間關(guān)斷電器設(shè)備或從某個(gè)遠(yuǎn)程位置進(jìn)行控制。

用于能耗測(cè)量的組件

能耗測(cè)量系統(tǒng)需要使用電壓和電流傳感器、一個(gè)用于連接這些傳感器的 AFE 和一個(gè)負(fù)責(zé)完成能耗測(cè)量計(jì)算的 MCU。能耗測(cè)量結(jié)果可顯示在 LCD 屏之上，或通過串行總線發(fā)送至其他設(shè)備以進(jìn)行無線通信，如下一頁上的圖 2 所示。

圖 1：MSP430™ 能源看門狗 (Energy Watchdog)2 智能插頭參考設(shè)計(jì)

圖 2：能耗測(cè)量系統(tǒng)方框圖

功率是瞬時(shí)電壓與電流的乘積。如下面的公式所示，有功能耗為功率的時(shí)間積分，以千瓦-小時(shí) (kWh) 為單位來表示。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

能耗測(cè)量的第一步是分別采用電壓和電流傳感器來測(cè)量輸入電壓和負(fù)載電流。

選擇電壓和電流傳感器

在輔助計(jì)量表中，可以采用簡單的電阻分壓器作為電壓傳感器。應(yīng)選擇正確的電阻值以對(duì)交流電源電壓(通常為 230 VAC 或 120 VAC)進(jìn)行分壓，從而適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的輸入范圍。圖 3 中所示的電阻分壓器電路可用于將 230 VAC 的交流電源電壓分壓至大約 350 mV RMS(其峰值為 495 mV)，然后再饋送至 ADC 的正輸入3。電阻器具有最大額定電壓，假如超過此電壓就會(huì)在電阻器本體上引起電弧。如果采用串聯(lián)的分立電阻器(R1、R2 的 R3)替代單個(gè) 1MΩ 電阻器，則允許使用標(biāo)準(zhǔn)電阻器，而不會(huì)超過其最大額定電壓。

圖 3：MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 的電壓檢測(cè)電路

電壓傳感器的另一種替代選擇是電壓變換器，其可提供與高電壓交流電源的隔離。不過，與分立式電阻器相比，電壓變換器較為昂貴。

電流傳感器的選擇取決于家用電器所使用的輸入交流電源的類型。在美國，諸如冰箱和洗衣機(jī)等家用電器依靠單相 120 VAC 電源運(yùn)作，而大功率電器(比如：干衣機(jī)和炊事電爐等)則采用分相 240 VAC 電源工作。對(duì)于單相應(yīng)用，可以在中性線中布設(shè)一個(gè)低阻值的分路電阻器(圖 4)，并可測(cè)量分路兩端的電壓降以計(jì)算電流。分路電阻器的阻值由負(fù)載電流的范圍、ADC 的增益設(shè)定值和傳感器上的功率耗散決定。分路電阻器的特點(diǎn)是成本低廉且簡單易用，但其并未提供電隔離。對(duì)于諸如干衣機(jī)和炊事爐具等使用分相電源的電器而言，在兩條載電線上均必須采用電流變換器。電流變換器可提供電隔離，但成本要比分路電阻器高。

圖 4：MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 的電流檢測(cè)電路

位于檢測(cè)級(jí)之后的是無源接口電路，負(fù)責(zé)在輸入信號(hào)饋入 ADC 之前對(duì)其做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。該電路包括一個(gè)濾波器，用于消除有可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確測(cè)量的寄生寬帶噪聲。對(duì)于單相家用電器(如冰箱)，需要兩個(gè) ADC：一個(gè)用于測(cè)量電壓，另一個(gè)用于測(cè)量電流。而對(duì)于干衣機(jī)和炊事爐具，則需要 4 個(gè) ADC，用于測(cè)量兩個(gè)電壓和兩個(gè)電流?？刹捎镁哂?16 位或 24 位分辨率及同時(shí)采樣能力的 ADC 來生成準(zhǔn)確的能耗測(cè)量結(jié)果。

能耗測(cè)量及報(bào)告

能耗測(cè)量計(jì)算利用由 ADC 收集的電壓和電流樣本來完成。由下式可見，為了計(jì)算有功能耗 (active energy)、無功能耗 (reactive energy) 或表觀能耗 (apparent energy)，MCU 必須具備針對(duì)諸如平方根、平方和除法等常用函數(shù)的優(yōu)良數(shù)學(xué)庫。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

一旦計(jì)算出能耗測(cè)量結(jié)果，即可利用輔助計(jì)量表自身或一個(gè)遠(yuǎn)程終端上的 LCD進(jìn)行顯示。MCU 可通過串行通信接口與 LCD 驅(qū)動(dòng)器或無線通信模塊相連。倘若采用的是分路電阻器和分壓器之類的非隔離傳感器，抑或 AFE 和 MCU 以饋電線電壓為基準(zhǔn)，則應(yīng)對(duì)連接至其他采用不同基準(zhǔn)電壓的器件或系統(tǒng)的所有線路進(jìn)行隔離，這一點(diǎn)至關(guān)緊要?？刹捎霉怦詈掀骰螂娙菪愿綦x IC 來實(shí)現(xiàn)這種隔離。

使用低功率組件的能耗測(cè)量系統(tǒng)可采用簡單的電容式電源供電。然而，電容式電源不能提供用于驅(qū)動(dòng) RF 收發(fā)器的足夠電流。采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術(shù)傳送能耗數(shù)據(jù)的輔助計(jì)量表將需要一個(gè)額外的 NPN 輸出緩沖器或變壓器以及開關(guān)式電源，用于為 RF 收發(fā)器供電。

校準(zhǔn)

由于組件和傳感器容差的緣故，計(jì)量表之間可能存在能耗測(cè)量值的差異。公用事業(yè)公司提供的電表有著嚴(yán)格的精度要求，而且在每個(gè)電表上都必須對(duì)由于組件容差造成的誤差加以校準(zhǔn)。然而，諸如智能插頭和電器電度表等輔助計(jì)量表的精度要求往往比較寬松，因?yàn)樗鼈兊臏y(cè)量結(jié)果并不用于收費(fèi)目的。設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)常數(shù)可在開發(fā)期間確定并寫入 MCU 閃存之中，因而不必在生產(chǎn)過程中逐個(gè)單元進(jìn)行校準(zhǔn)。預(yù)計(jì)采用這種方法可實(shí)現(xiàn) <3% 的準(zhǔn)確度。該準(zhǔn)確度在許多輔助計(jì)量表應(yīng)用中均可滿足要求，而且校準(zhǔn)的免除還能在生產(chǎn)中節(jié)省大量的成本。

MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC

MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 在單個(gè)封裝中集成了多個(gè) 24 位 Σ-Δ ADC、可編程增益放大器和一個(gè) 16 位 MCU。該器件配套提供了用于執(zhí)行能耗測(cè)量計(jì)算任務(wù)的 TI MSP430™ MCU Energy Library4 軟件。

圖 5：面向能耗測(cè)量應(yīng)用的 MSP430AFE2xx 的特性

當(dāng)把 MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 應(yīng)用于輔助計(jì)量表時(shí)，開發(fā)人員將會(huì)體驗(yàn)到以下的主要特性與優(yōu)勢(shì)：

高集成度

MSP430AFE2xx 集成了多種能耗測(cè)量所需的組件，包括 ADC 和 MCU。這使得低成本和小占板面積輔助計(jì)量表設(shè)計(jì)能夠采用極少的組件。除了能耗測(cè)量之外，MSP430AFE2xx 還可根據(jù)需要用于運(yùn)行其他的小應(yīng)用程序。

多個(gè) 24 位 Σ-Δ ADC

內(nèi)置的三個(gè) ADC 皆可支持 ±500 mV 的差分輸入電壓，因此來自電流傳感器的輸出無需電平移位即可直接饋送至 ADC。另外，ADC 輸入還支持高達(dá) -1 V 的負(fù)輸入電壓，所以同樣允許來自 AC 饋電線的分壓電壓信號(hào)直接連接至 ADC，而不必進(jìn)行額外的電平移位。

MSP430AFE2xx 提供了多達(dá) 3 個(gè)具有 24 位分辨率的 Σ-Δ ADC。這些 ADC 能在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)提供公用事業(yè)級(jí) (< 0.1%) 的準(zhǔn)確度。ADC 的同時(shí)采樣特性消除了電流和電壓樣本之間的固有延遲，并且不再需要進(jìn)行軟件校正，這在順序采樣法中是一反常規(guī)的。

低功耗

MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 具有低功耗特性，這一點(diǎn)對(duì)于擁有依靠低成本電容式電源給器件供電的能力十分重要。

軟件可編程性

TI 提供的 MSP430™ MCU 能源庫 (Energy Library) 和代碼范例有助輕松快捷地實(shí)現(xiàn)基于 MSP430AFE2xx 的能耗測(cè)量計(jì)算。

諸如 MSP430AFE2xx 等軟件可編程解決方案的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了根據(jù)特定的應(yīng)用要求對(duì)解決方案做適應(yīng)性調(diào)整的靈活性。例如：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可執(zhí)行一種非標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，以將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器或遠(yuǎn)程終端。軟件可編程能耗測(cè)量 IC 的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是可在生產(chǎn)過程免除校準(zhǔn)工作。

串行通信接口和 GPIO

MSP430AFE2xx 允許通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口(如 SPI 或 UART)傳送能耗數(shù)據(jù)。其另外的 GPIO 可用實(shí)現(xiàn) LCD 接口、LED 脈沖發(fā)生或者與諸如按鍵等輸入相連接。

總結(jié)

要在智能插頭、電器設(shè)備和服務(wù)器中廣泛推廣使用能耗測(cè)量，可完成能耗測(cè)量的低成本組件起著重要的作用。MSP430AFE2xx 能耗測(cè)量 IC 將能耗測(cè)量所需的主要組件集成在了單個(gè)封裝之中。這些組件包括可編程增益放大器、ADC、MCU 以及負(fù)責(zé)與其他器件進(jìn)行通信的串行接口。MSP430AFE2xx 只需區(qū)區(qū)幾個(gè)無源組件便可與諸如分路電阻器和分壓器等低成本傳感器相連。MSP430 系列微控制器的低功耗性能允許采用低成本的電容式電源為 MSP430AFE2xx 供電。由于這款解決方案可采用軟件進(jìn)行編程，因此提供了執(zhí)行非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的靈活性。最后，一旦在開發(fā)過程中完成了校準(zhǔn)，則可在生產(chǎn)期間將相同的校準(zhǔn)常數(shù)寫入每個(gè) MSP430AFE2xx 單元，以輕松實(shí)現(xiàn) 3% 或更好的準(zhǔn)確度。由于在生產(chǎn)過程中免除了校準(zhǔn)，故而有望顯著降低生產(chǎn)成本。