DQZHAN技術(shù)訊：基于90E46的單相智能電表設(shè)計(jì)方案
智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地發(fā)展之中，使得相應(yīng)的芯片技術(shù)也在日益提高。以市場(chǎng)需求量*大的單相智能電能表為例，其技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
計(jì)量準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高，電流范圍越來(lái)越寬，從之前的5(20)A到現(xiàn)在的5(60)A，再到1(100)A，早期的計(jì)量芯片已無(wú)法滿足當(dāng)前電能表設(shè)計(jì)的要求，高精度、寬量程的計(jì)量芯片被廣泛應(yīng)用。
數(shù)據(jù)和事件處理要求越來(lái)越多，使得MCU的運(yùn)算能力和程序容量不斷提高，傳統(tǒng)的8-bit MCU會(huì)逐漸被32-bit MCU所取代。
智能電能表作為智能電網(wǎng)的*終節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)通信要求越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)外的通信方式有RS485、PLC、紅外，并且要求各通信接口相互獨(dú)立并能同時(shí)運(yùn)行;這要求用于電能表設(shè)計(jì)的MCU具有豐富的硬件通信接口。
IDT的90E46就是順應(yīng)智能電能表的這種發(fā)展趨勢(shì)，在業(yè)界推出的**款集成硬件高精度寬量程計(jì)量模塊，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU內(nèi)核，LCD驅(qū)動(dòng)和帶溫度補(bǔ)償功能的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)于一體真正意義上的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。在計(jì)量動(dòng)態(tài)范圍5000:1 內(nèi)，有功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于 0.1%，無(wú)功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%，且只需要單點(diǎn)校準(zhǔn);實(shí)時(shí)時(shí)鐘誤差小于±0.5秒/天。
90E46芯片與硬件設(shè)計(jì)
90E46芯片簡(jiǎn)介
90E46是業(yè)界集成度*高的高精度寬量程單相電能計(jì)量SoC，在IDT既有的寬量程計(jì)量模擬前端(AFE)的基礎(chǔ)上，集成了ARM Cortex-M0微處理器、LCD驅(qū)動(dòng)和帶溫度補(bǔ)償功能的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，可以減少單相電能表的元器件數(shù)量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程，降低材料成本和庫(kù)存管理難度。
90E46具有下列特性：
32位 ARM Cortex M0 內(nèi)核，6KB RAM， 128KB Flash;
4路獨(dú)立UART，UART0支持紅外調(diào)制(IR)，UART3支持硬件ISO7816協(xié)議;
集成硬件看門(mén)狗(WDT)，支持中斷功能;
2路25位通用PWM;
1路14位低功耗PWM，用于紅外喚醒;
2路16位定時(shí)器
*多45個(gè)GPIOs，23個(gè)支持5V輸入;
4個(gè)外部中斷輸入，可用于系統(tǒng)喚醒;
2路12位GPADC，集成高精度參考電壓源和閾值比較電路;
1路低功耗電壓比較器，用于芯片掉電檢測(cè);
芯片支持運(yùn)行模式、睡眠模式、待機(jī)模式和LCD顯示模式;
內(nèi)置PLL電路，外部只需32.768kHz晶體即可工作;
符合IEC和ANSIC標(biāo)準(zhǔn)要求;可用于單相1級(jí)、2級(jí)有功電能表和2級(jí)無(wú)功電能表;
在計(jì)量動(dòng)態(tài)范圍5000:1內(nèi)有功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于 0.1%，無(wú)功電能準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2%;
片內(nèi)參考電壓源的溫度系數(shù)典型值 6 ppm/ ℃;
電參數(shù)測(cè)量：電壓/電流有效值、平均功率、頻率、功率因數(shù)和相角的引用誤差低于0.5%;
在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)只需要單點(diǎn)校準(zhǔn)，可用于50Hz 和 60Hz電網(wǎng);
片內(nèi)溫度傳感器在-40 ℃~ +85 ℃范圍內(nèi)準(zhǔn)確度±1 ℃;
片內(nèi)硬件RTC帶頻率補(bǔ)償功能。補(bǔ)償范圍：-3900ppm 到3900ppm，補(bǔ)償精度±0.12ppm;
內(nèi)置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驅(qū)動(dòng)器，含偏置電壓生成電路;
工作溫度：-40℃~+85℃;
TQFP100 綠色封裝。
硬件設(shè)計(jì)
90E46采用了高集成度的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，外部只需要少量器件就可以實(shí)現(xiàn)*小系統(tǒng)功能。

寬量程電能表的校準(zhǔn)和軟件設(shè)計(jì)
測(cè)量/計(jì)量校準(zhǔn)
采用90E46設(shè)計(jì)的單相電能表，只需要在Ib電流點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，即可保證5000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的計(jì)量準(zhǔn)確度。對(duì)于1(100)A的電能表，可以在5A(或10A)電流下進(jìn)行校表，同樣可以滿足整個(gè)電流范圍內(nèi)的計(jì)量準(zhǔn)確度。
溫度傳感器
90E46內(nèi)部集成的溫度傳感器準(zhǔn)確度為±1℃，基于該溫度傳感器，可對(duì)RTC和參考電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償，達(dá)到更好的計(jì)量性能和RTC準(zhǔn)確度。
芯片內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的溫度傳感器ADC采樣模塊，該模塊可以設(shè)置成周期性自動(dòng)執(zhí)行的方式，并且可以設(shè)定ADC采樣數(shù)據(jù)的上下限閥值和喚醒。這個(gè)功能使得低功耗狀態(tài)下的RTC溫度補(bǔ)償特別方便。MCU在進(jìn)入低功耗狀態(tài)前，只要先設(shè)置好溫度自動(dòng)采樣周期(如20s)和上下限閥值。進(jìn)入低功耗狀態(tài)后，芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)行周期性溫度采樣，當(dāng)ADC采樣值超出上下閥值的范圍時(shí)，會(huì)喚醒MCU，由MCU對(duì)RTC進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)外置晶振的溫度補(bǔ)償
系統(tǒng)外接單一32768Hz晶體作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，這也作為RTC的時(shí)鐘源。石英晶體振蕩器的振蕩頻率對(duì)外部溫度非常敏感，環(huán)境溫度的上升或者下降都會(huì)引起中心頻率的漂移，從而造成RTC計(jì)時(shí)的偏差。為了彌補(bǔ)這種誤差，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶體周?chē)h(huán)境溫度，然后根據(jù)晶體的頻率溫度特性對(duì)32768Hz晶體的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償，以確保補(bǔ)償后的頻率在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定不變。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的整個(gè)補(bǔ)償過(guò)程包括：晶體周?chē)h(huán)境溫度的采集，和歷史溫度的比較，晶體誤差的計(jì)算，補(bǔ)償?shù)葞讉€(gè)過(guò)程。為了*大限度降低系統(tǒng)功耗，上述 RTC溫度補(bǔ)償過(guò)程中的大部分環(huán)節(jié)都可以通過(guò)90E46內(nèi)部相應(yīng)的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要CPU的干預(yù)。
小結(jié)
90E46將計(jì)量模擬前端(AFE)、微處理器(MCU)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和LCD驅(qū)動(dòng)集成到單一芯片中，是真正意義上的單相智能電能表SoC芯片。采用90E46設(shè)計(jì)的電能表，其外圍器件和電路都變得簡(jiǎn)單明了。采用90E46可實(shí)現(xiàn)1(100)A的單相電能表設(shè)計(jì)，從而讓電能表生產(chǎn)廠家采用同一設(shè)計(jì)涵蓋不同量程的電能表需求，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入，降低元器件和庫(kù)存管理成本。
附錄：產(chǎn)品參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)
寬量程電能表產(chǎn)品參數(shù)
電能表的基本參數(shù)為：
參比電壓：AC 220V
電流規(guī)格：1(100) A
參比頻率：50Hz
儀表常數(shù)：3200imp/kWh， 3200imp/kvarh
計(jì)量動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果
經(jīng)過(guò)測(cè)試，在20mA~100A的電流范圍內(nèi)，整表的有功電能計(jì)量誤差優(yōu)于±0.2%，無(wú)功電能計(jì)量誤差優(yōu)于±0.4%，可完全滿足1級(jí)表的設(shè)計(jì)要求。圖5和圖6分別是在PF是1.0和0.5L的情況下有功電能的計(jì)量誤差：
實(shí)時(shí)時(shí)鐘測(cè)試結(jié)果
經(jīng)測(cè)試，電能表的實(shí)時(shí)時(shí)鐘在常溫下的準(zhǔn)確度小于±5ppm，誤差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，時(shí)鐘誤差小于±10ppm。圖7是在 -40℃~85℃溫度范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)

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基于90E46的單相智能電表設(shè)計(jì)方案