采用TI能耗測(cè)量 IC 簡(jiǎn)化輔助計(jì)量
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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(lái)完成。由下式可見(jiàn)，為了計(jì)算有功能耗 (active energy)、無(wú)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(kù)。
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(guò)串行通信接口與 LCD 驅(qū)動(dòng)器或無(wú)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(lái)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(jiǎn)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(guò)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(lái)自電流傳感器的輸出無(wú)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(lái)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(kù) (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(guò)程免除校準(zhǔn)工作。
串行通信接口和 GPIO
MSP430AFE2xx 允許通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)程中免除了校準(zhǔn)，故而有望顯著降低生產(chǎn)成本。
評(píng)論