電能計量IC配合快閃記憶體微控制器　實現創新彈性的電錶設計

圖1a，典型ROM製程的電錶設計。

本文介紹了一個完整的電錶設計範例，使用大約7 KB的程式空間來實現完整的三相電錶IC，該設計由中斷驅動(interrupt-driven)，僅使用50%的中斷處理時間，搭配快閃記憶體形式，提供相較於採用ROM製程的電錶IC更高的彈性及優點...

近年來，市場上推出越來越多固定功能的電錶應用的積體電路(IC)，若想在電錶設計上有所突破，但受限於現有 IC的固定功能，要有新的創意設計變得越來越困難。許多類比前端元件(AFE)電能計量的IC都採用 △-∑ ADC，並透過ROM製程、固定功能的狀態機(state machine)來計算功率輸出。這些IC不能進行修改，也不能用於電源量測之外的其他功能。

諸如有效電力(active power)、視在功率(apparent power)和RMS電流與電壓等數位計算模組的功能都是固定的，在一定的頻率下運作，且具備固定的輸出精確度。利用這些元件雖然可以完整發揮其固定功能，但在設計上卻顯得不夠彈性。

過去，IC製造商通常僅提供ROM製程的電能計量IC，作為執行這些功能的開放原始碼解決方案；現在，製造商則以△-∑可配置快閃記憶體設計的形式提供解決方案。本文介紹了一個完整的電錶設計範例，使用大約7 KB的程式空間來實現完整的三相電錶IC。該設計由中斷驅動(interrupt-driven)，僅使用50%的中斷處理時間(系統的電源頻率為60 Hz，每個週期進行128次採樣)。在130 μs的間隔中，大約花費65 μs的時間用於三相的計算，包括偏移(offset)、增益(gain)和相電壓(phase)的校準，以及LSB的調整。高精度電錶設計的功率輸出暫存器(power-output register)最高需要48位元的計算空間，而在低成本的8位元微控制器(MCU)上較難實現。以快閃記憶體形式提供的方案較採用ROM 製程的電錶IC具備更高的彈性及優點，以下將詳細介紹之。

ROM製程的電錶設計，首先需要倚賴外部記憶體進行電錶校準，並通過智能設定自動載入state machine，成本較高且步驟較為繁瑣。訊號流程的第3個階段必須將校準常數載入固定功能的電能計量IC中。透過結合ROM製程的類比前端元件中的計算功能與快閃記憶體的核心微控制器，可以省去其中的1個步驟。將電錶校準和常數載入包含在1個階段中，有助於減少IC數量並降低系統成本。

電錶精度取決於可靠的類比性能

在決定採用何種設計之前，設計師必須先確定類比設計的可靠性；系統的類比和ADC性能最終會限制電錶的整體精度。

設計趨勢指向越來越小的分流電流(shunt)和訊號(signal)，所以ADC雜訊越低、解析度更高的電能計量IC會更符合市場的需求。要開發符合IEC標準的電錶(包括0.5和0.1等級電錶)，可利用低雜訊、可忽略的串擾雜訊(negligible crosstalk)、具有優良線性表現的16位元雙通道ADC來著手設計。

Microchip Technology的MCP3909電能計量IC是1款△-∑元件，特別針對符合以上條件的電能計量應用而設計，配備彈性的數位模組和通訊路徑；該IC搭載的兩個16位元類比至數位轉換器，其訊號雜音失真比(SINAD)為82 dB，支援遠超出IEC要求的動態量測範圍。該IC搭載的PGA(增益可達32 V/V)支援以下所示的訊號大小和測量誤差的精度；此外，該元件也協助設計人員控制ADC和乘法器輸出(multiplier output)，以及濾波器輸入(filter input)。

該元件可以與微控制器搭配使用，也可以獨立為1個量測解決方案。在某些情況下，電錶設計並不需要採用雙晶片方案，只要保留電錶IC中的功率計算功能就足夠了。利用固定功能的DSP模組執行主動功率計算(active-power calculation)，並產生脈衝輸出驅動機械式計數器(mechanical-counter)的方式廣受業界歡迎；而這種脈衝輸出計算模組更已成為業界標準，MCP3909 IC中正包含了這種模組。該款單晶片方案只需要單點校準(single-point calibration)，在獨立式或使用微控制器的電錶中皆可採用，其彈性協助電錶製造商進行設備認證和測試。

合於規範且適用於多種電錶設計的單一電錶IC可協助電錶設計人員、製造商及尋求最終解決方案的電力公司。MCP3909元件的彈性即可靈活應用在一系列廣泛的電錶設計中。

雙功電能計量IC

這種設計概念讓設計師能利用雙功接腳(dual-functionality pin)直接連結△-∑ ADC和乘法器輸出，藉此為電能計量IC和快閃記憶體MCU之間的相互連結大大的提高設計上的彈性。透過直接量測電壓、電流和功率ADC輸出，可結合快閃記憶體MCU的處理能力，用來進行數位計算並扮演中央處理器的角色。

設計範例：三相電錶設計

圖3顯示了1個三相電錶的設計範例，除了採用Microchip的MCP3909還有PIC18F系列高階8位元微控制器(MCP3909-3PH18F-RD1)。該範例結合可直接存取的△-∑電能計量IC與低成本的電錶計算引擎，節省元件成本並簡化電錶校準的程序與設計。將暫存器、電源與電能暫存器(energy register)，以及RMS電流與電壓暫存器配備在快閃記憶體MCU上，並利用1個串列介面存取所有的暫存器，就像過去在ROM製程的電錶計量IC中所做的一樣。

該設計的獨特之處在於，進行電錶校準之後，可用串列方式存取暫存器中的資料，這些資料包含以精確功率單位表示的數值。暫存器的10進位值表示功率值。對於功率(power)，可用的暫存器大小為48位元；對於電能(energy)，可用的暫存器大小為64位元。例如，名稱以“W”結尾的暫存器對應於所測量的瓦特值。以“VA”結尾的暫存器包含特定相位的伏安值。以“I”表示所測量的RMS電流，“V”表示所測量的RMS電壓。

LSB校正這一概念讓設計師可以透過自動校準軟體設定暫存器的解析度。暫存器分別表示功率(千瓦)、電壓(伏特)、電流(安培)和電能(千瓦時)的LSB量。假設一輸出暫存器中的數值為1,234時，表示1,234瓦特或1.234千瓦。當需要與其他量測系統、模組或輸出顯示器(例如LCD)連接時，更可簡化電錶韌體的設計。

小數點位置(即功率量的解析度)由電錶設計內的校準軟體部分所輸入的值來決定。在通過軟體自動對電錶進行校準的步驟中，將會計算出正確的LSB校正因數，以確保最低有效位元代表特定量的最低有效數字。

例如，如果PHA_I_RMS暫存器(表示A相的RMS電流)中包含10進位值4,523，而解析度已根據電錶設計軟體設定為0.01，則該值確實代表45.23安培。這些演算法和自動執行演算法的軟體隨電錶參考設計一起提供，可從Microchip網站 www.microchip.com/meter免費下載。

軟體中的電錶設計允許用戶輸入確切的電錶參數。對於任一的電錶生產批次，可以在生產時進行自定義，為RMS或主動功率計算增加ADC的餘裕(headroom)。其他電錶常量(例如空載臨界值限制(no-load threshold limit))也可以在生產電錶的同時透過軟體/快閃記憶體的介面進行簡單修改。

USB電錶資料讀取/校準

對於高階電錶設計，電錶所需的校正因數不僅在生產時於電錶外部計算，且還需連結軟體和校準設備在校準期間進行計算。現在市面上的PC很少配備RS-232串列埠，而且RS-232每次僅與連接到匯流排上的1個設備進行通訊；然而在進行電錶校準時，通常要同時控制10至50個電錶的校準電壓和電流，因此使用RS-232時，透過PC無法與多個電錶進行通訊。由此可見，利用USB連結電錶校準軟體進行校準將更符合實際需求。

電錶的USB監控與校準軟體具有一些優於傳統串列和平行軟體解決方案的優點。這些優點包括更高的連接能力、更寬的通訊頻寬、以及能為多個電錶同時供電等。除此之外，利用USB還可以快速從多個電錶收集資料。

圖4所示的USB電錶軟體可從Microchip網站(www.microchip.com/meter)免費下載，並透過前面介紹的快閃記憶體PIC18F和MCP3909電能計量IC範例進行電錶校準和資料讀取。針對這兩種方案，其軟體介面均支援RS-232/485和USB。

該款開放原始程式碼的USB軟體具有許多優於現有解決方案的功能，包括能夠儲存和讀取電錶校準狀態。快閃記憶體MCU中包含一些校準狀態暫存器，軟體透過這些暫存器來標記特定的功率量是否已校準。相位校準狀態使用黃色圖示標記，如圖4所示。這種校準方式只適用於基於快閃記憶體的電錶計算引擎，不適合在ROM製程的電錶IC執行。此外，系統還會追蹤標準相位，在校準期間進行相位之間的增益匹配(gain matching)。

為了預防電錶遭篡改、以及電錶設計的智慧財產權，採用該方案時還需考慮加強程式碼安全性和加密。針對特定客戶的需求進行修改之後，若電錶計算引擎中包含電錶製造商希望保護的IP，則可透過以下方法來實現程式碼的安全性。

有一種安全性級別可以對記憶體演算法進行鎖定，禁止透過串列埠讀取儲存區的內容。另外也可對MCU記憶體的部分區域鎖定讀寫功能，防止經由RS-485或USB存取鎖定區域；例如保存校準和校正因數的那些區域。此外，標準的加密演算法，例如高級加密標準(AES)和微型加密演算法2(XTEA)也能保護代碼安全。

安全的協作式公用儀錶設計

保護協作式公用儀錶系統設計中的知識財產權(IP)也是一個常見的挑戰；因為對電錶計算引擎進行客製化會在設計中產生額外的IP。在公用儀錶中，儀錶設計廠商、軟體IP供應商、感測器模組和OEM廠商都擁有各自的IP，而最終的儀錶設計中可能包含2至3個嵌入式微控制器，每個微控制器都具備不同的功能以及分屬於不同公司的IP。使用包含許多IP的元件將增加終端用戶和公用事業公司的成本。

可以將多個IP整合於單一元件中，同時獨立對各個代碼區域進行保護，並將解決方案整合到1個16位元微控制器或數位訊號控制器(DSC)中。這種在單一元件上整合IP的協作式方案可以保護各方的IP，並以較低的成本提供產品。

電錶設計的新選擇

今天，市面上眾多的快閃記憶體MCU和類比產品，為客戶提供豐富的選擇，並因此開發了許多電錶設計的方法。近年來，出現了只有6個接腳的小尺寸快閃記憶體MCU，單價低於0.40美元，為低成本的單相電錶校準提供了新的可能性。此外，採用模組化的AFE計算模組，還可以輕鬆開發更高階的16位元和32位元電錶；這些模組協同工作，實現簡化的校準技術和更快速的電錶開發。採用△-∑ ADC技術、高精度、且充滿彈性的AFE，配合快閃記憶體MCU的智慧，為創新的單相和三相電錶設計開闢了新的途徑。

瞭解更多資訊

關於MCP3909和PIC18F三相電錶參考設計(MCP3909-3PH18F-RD1)的更多資訊，以及關於開發可靠的高性能水、電或熱量等公用儀錶的更多資訊和資源，請瀏覽Microchip的線上公用儀錶設計中心： www.microchip.com/meter。

(本文作者為Microchip Technology Inc.類比與介面產品部門首席應用工程師)