作者：德州仪器 Mike Mitchell2006-04-17
 核心器件: MSP430FE42x
能量计正迅速发展，从机电式费拉里计数器发展为全面的电子表。电子表能够实现自动抄表 (AMR) 及许多其它功能，包括提高测量精度，并能测量以前无法测量的功率因数等参数。此外，它的通信潜力几乎无限，这就使公共设施服务供应商实现多费率账单编制、智能卡预支付、远程数据管理以及其它尚待设想的功能成为可能。

       第一代电子电表包括多个集成电路，如专用的定制模拟前端、用于处理的定制 ASIC、基本的微控制器、某些非易失存储器、专用的实时时钟芯片以及专用的显示驱动器。但这些定制与分开的系统相当昂贵，而且定制器件风险也总是很大。新一代电子表将建立在专用标准产品 (ASSP) 上，其集成了仪表的大多数或所有功能块，成本更低，性能更强，而且由于简单还可加快产品上市进程。

       德州仪器 (TI) MSP430FE42x 系列的单相电子电表超低功率测量微控制器就是其中的一个实例。MSP430FE42x 器件在单芯片上集成了仪表的所有功能。使用上述器件可将电表芯片数量从五个减至一个。这样的集成度使得系统设计人员能够致力于产品功能的开发，努力使产品独树一帜，而不必为基本的电子测量功能操心。

       完整的封装
       MSP430FE42x 集成了一个 16 位基于闪存的 MCU 以及用于显示与 AMR 通信的附加外设。为了优化能量处理，MSP430FE42x 提供的计量功能是专用的嵌入式信号处理器 (ESP)，称作 ESP430CE1。ESP430CE1 自动进行传送进来模拟信号的增强、采样与转换，并计算瞬时与平均功率以及其它数个参数，如功率因数、表观功率、无功功率等。这就解放了主中央处理器 (CPU) 及其集成闪存（高达 32kB）和 1kB RAM，可用于实现独特的应用功能。MSP430FE42x 结构图见图 2。
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 CPU 可提供每秒 800 万指令 (MIPs) 的性能，即使对最复杂的 AMR 与通信功能而言也足够了。此外，集成闪存可自编程，因此系统可不再需要外部非易失存储器（通常用于校准数据与单位确认）。校准数据、串行数字乃至能量消耗数据都直接存储于集成闪存中。

       设计人员还可获得额外的集成外设，例如两个 16 位计时器、PWM 输出功能、一个用于串行通信的USART，一个用于自动防护运行的看门狗定时器，一个高度灵活的带有晶体故障检测的计时系统、一个 128 段 LCD 控制器、一个集成电源电压监控器，以及专利的超低功率电力减弱检测器（所需的电流消耗小于 50 纳安）。无需外部器件，这样的外设组合即可在片上实施红外线或射频等各种先进的通信功能。

嵌入式信号处理器

       MSP430FE42x 有一个嵌入式信号处理器 ESP430CE1，它执行所有测量与计算功能，是一个专门为电子计量应用而设计的固定功能外设。它包括三个完全独立、完全差动、同时采样的二级 16 位Σ-Δ ADC。每个 ADC 都有其各自的可编程增益放大器 (PGA)，采样速率达到 1Mhz。各用一个通道进行电压测量与电流测量，并用第三个通道进行火线与零线 (line-to-Neutral) 测量，这样就能在三线系统中进行篡改检测（图 3）。ADC 还用一个集成的 1.25V 参考电压进行转换，或者也会用外部的1.25V 参考电压。

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在被转换的电压与电流信号进行数字处理时，将返回峰值电压与电流、能量与线路周期 (line period) 测量结果以及逆向电力传输显示 (negative power flow indication)。ESP430CE1 执行必要的计算，提供精确的工作能量、表观能量、RMS 电压、电流与波形采样，并给出电流与电压通道间精确的相位匹配。这些值对公共设施供应商而言相当重要，因为大多数家庭负载不是电容性较强，就是感应性较强。该方法比机械式仪表有了较大改进，因为机械式仪表无法准确测量上述负载，会导致公共设施供应商的收入损失。

       ESP430CE1 出货时已经预编程，并使用自带专用的优化 CPU、硬件乘法器、RAM 与 ROM。为了进一步减少外部组件，还集成了温度传感器，这就进一步实现了恶劣条件下较大温度波动的补偿。ESP430CE1 与主 MSP430FE42x CPU 之间实施邮箱通信方案，从而进行配置与返回测量结果。

     灵活的传感器接口

       MSP430FE42x 与传感器直接用接口连接，以测量执行能量计算所需的电流与电压。由于集成了 PGA-ADC 信号链，因此不需要外部信号调节。MSP430FE42x 测量电流时既支持变流器 (CT)，也支持分路器（图 1）。即使使用混合类型的传感器，也可为传感器自动提供先进的相位校准与校正。
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       CT 实现了电绝缘，并为主电流提供了精确的电压信号。在选择 CT 时，必须考虑到直流 (DC) 容差，以避免 CT 饱和。MSP430FE42x 将自动校正 CT 产生的相移。CT 的正确选择取决于电压信号的变化范围，其必须满足各个器件精度等级的业界标准所规定的要求。在亚洲，标准由 IEC 1036 规定。

       每个 PGA 都有 1 至 32 的可选增益，这就能够使用低至 250uOhm-300uOhm 的分流电阻。每个PGA-ADC 通道的内部偏移在模块处初始化时通过进行输入短路并测量可自动去除。

       精度

       16 位 Σ-Δ ADC 对测量而言具有较大的动态输入范围。这对正确测量相当重要，因为电流消耗既可能小到几个毫安，又可能大至数十安培。在 1000 至 1 的动态电流范围内，基于 MSP430FE42x电表的测量性能精度高达 0.1%，大大超过了通常电表所要求的 2% 的精度。

       此外，ADC 的转换速率达每秒 4096 次，即使在快速交换瞬态负载下可测量到 50 或 60Hz 主频率的第 20 次谐波，这符合 IEC 1036 标准。

       篡改检测

       如果 ESP430CE1 配置为仅检测能量的模式，则一个 ADC 通道测量单电流传感器，另一个 ADC 通道测量电压。第三个 ADC 通道用于片上温度测量。在这种模式下，只有在干线电压断开或者电压或电流连接反极性时才能进行篡改检测。

       但是，ESP430CE1 带有能量检测加篡改检测模式，使用两个电流传感器与两个 ADC 通道。一个用于能量测量，另一个测量零线的电流。ESP430CE1 自动比较两个电流测量结果，两个 RMS 中较大的值将用于能量计算。此外，系统设计人员还可设置可编程的阈值，这样，如果 ESP430CE1检测到负载差值大于阈值，那么就会设置篡改标志，而主 MSP430FE2x CPU 则能够通过仪表的通信功能提醒公共设施供应商。该模式还支持检测干线极性倒转或断开。

       可靠性

       除了可进行篡改检测外，单芯片电子表解决方案还提高了仪表的长期可靠性。电子表还必须在恶劣条件下非常可靠，并具有较长的工作寿命。MSP430FE42x 在 3V 电压下工作时，只需要一个低频 32kHz 表晶体进行计时，并可在停电情况下启用超低功耗的待机模式，这就减少了对多晶体的需求，而以前各代仪表都需要多晶体。

       停电时，MSP430FE42x在待机模式下运行，实时时钟处于工作状态下耗电仅为

       1.1uA。高速系统时钟在片上计数生成，与晶体分开。如果晶体出现故障，则其将进入自动防护模式，使 MCU 继续在最低水平上工作，同时仍能够提醒公共设施供应商发生了故障。

       系统开发

       MSP430FE42x 器件有完整的片上 JTAG 仿真逻辑。电路内仿真器 (ICE)的使用非常麻烦，常常产生故障，而且不支持精确的模拟开发，片上仿真逻辑可使设计人员免受这些困扰。MSP430FE42x 的片上仿真非常稳定，在模拟信号链保持其信号完整性并进行彻底测试和开发的同时，还可实现同样的实时运行、步进 (step)、断点等 ICE 系统的仿真功能。

       总结

       MSP430FE42x 系列使仪表制造商能够灵活地开发现代、复杂、精确且低成本的电子仪表。现在系统设计人员可集中精力解决高级的 AMR 实施问题，缩短设计周期并降低开发成本，使产品独树一帜。

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