低功耗MCU在智能表中的應(yīng)用

王雪艷 上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司

1 低功耗MCU的需求原因

在電子產(chǎn)品上需要使用低功耗MCU的原因都是對大自然環(huán)境保護(hù)的因素，自然方面就是地球溫室效應(yīng)帶來的問題需要我們通過節(jié)約能源來解決，人為方面就是大量的廢舊電池若沒有按正常渠道回收可能會(huì)污染我們的土地和水資源。其實(shí)低功耗MCU的需求主要是因?yàn)橐韵聨追N情況：1）我們一般的家電電源使用來自電源插頭，當(dāng)我們的家用電器關(guān)閉使用的時(shí)候插頭會(huì)繼續(xù)插在插座上，沒有及時(shí)拔下來，就算家電沒有使用也會(huì)消耗一些功率，這樣就造成了資源的浪費(fèi)。2）有些智能家電具有時(shí)鐘功能，當(dāng)把插頭從插座拔下來以后，時(shí)鐘還要繼續(xù)使用備用電池來維持時(shí)鐘能夠繼續(xù)運(yùn)行。3）還有一些有遙控功能的家用電器需要長時(shí)間維持較低的待機(jī)電流。在基于這些實(shí)際需求的情況下，就需要將低功耗MCU應(yīng)用在我們的家用電器上邊來實(shí)現(xiàn)我們的需求。

2 智能電表的MCU解析

2.1 智能電表關(guān)鍵設(shè)計(jì)

智能電表關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求包括以下內(nèi)容：(1)它們應(yīng)當(dāng)以低能量工作，使他們能夠?qū)﹄姵仉娫撮L時(shí)間運(yùn)行，(2)它們必須包括安全功能，可以保護(hù)通信的內(nèi)容和安全的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)?；具€提供單向通信，從而實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)商自動(dòng)地和遠(yuǎn)程讀取儀表使用不同的通信解決方案，包括RF無線，電力線載波，以及通用分組無線系統(tǒng)(GPRS)的數(shù)據(jù)通信

2.2 智能電表服務(wù)的MCU

32位電能計(jì)量IC的恩智浦EM773FHN33是一個(gè)基于ARM的Cortex-M0，低成本，32位，電能計(jì)量IC。它運(yùn)行在48兆赫，并配有嵌套向量中斷控制器，串行線調(diào)試，32 KB的閃存和SRAM的8字節(jié)。此外，在其外圍補(bǔ)充，該MCU包括一個(gè)I 2；C總線接口，一個(gè)RS-485 / EIA-485 UART，具有SSP功能，一個(gè)SPI接口，三個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，多達(dá)25個(gè)通用I / O引腳和一個(gè)“計(jì)量引擎”設(shè)計(jì)成收集一負(fù)載的電壓和電流輸入來計(jì)算有功功率，無功功率，視在功率和功率因數(shù)。有兩個(gè)電流輸入和一個(gè)電壓輸入，并且部分具有表示1百分比的測量精度。它有一個(gè)7×7×0.85毫米HVQFN塑料熱增強(qiáng)型，薄型四方扁平封裝與33端子。在電能計(jì)量IC是準(zhǔn)確的可伸縮輸入源高達(dá)230 V / 50赫茲/ 16 A和110 V / 60赫茲/ 20 1%。的16位MCU具有高分辨率ADC 的德州儀器MSP430AFE253IPW低功耗16位位MCU的目標(biāo)公用事業(yè)計(jì)量應(yīng)用與支持超過2,400 0.1%的精度的單相計(jì)量模擬前端：1的動(dòng)態(tài)范圍。該MSP430AFE253IPW有三個(gè)24位Σ-ΔA / D轉(zhuǎn)換器和閃存的多達(dá)16個(gè)字節(jié)，512字節(jié)的RAM，以及溫度測量。MCU也有一個(gè)，速度更快，10位A / D。對于24位A / D給出的精度指標(biāo)的FS，最大值為±0.2%的偏移誤差-這使得約19位轉(zhuǎn)換器。主動(dòng)模式電源電流為1 MHz的只有220μA，2.2 V和待機(jī)為0.5μA。它運(yùn)行在-40℃至85℃。其中A / D的可用于防篡改功能。

圖一

如圖一一個(gè)典型的智能電表框圖。

2.3 智能電表所要考慮的問題

在智能電表的供電設(shè)計(jì)中，能效是必須考慮的問題。美國SiliconLabs公司推出的Si10xx無線MCU系列，集成超低功耗MCU及高穿透力的RF芯片，當(dāng)處理器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以提供非常低的工作電流，從而降低損耗。當(dāng)設(shè)備處于非工作狀態(tài)時(shí)，我們可以用深度睡眠的模式節(jié)省系統(tǒng)的損耗。在芯片電壓管理方面，該芯片集成了DC-DC的開關(guān)穩(wěn)壓器，提升了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。開關(guān)模式的穩(wěn)壓器與現(xiàn)行模式相比效率更高，電池壽命更長。

結(jié)束語：雖然一些MCU是具有集成的AFE，在其他情況下，信號的捕獲和轉(zhuǎn)換的要求可以導(dǎo)致使用單獨(dú)的模擬前端芯片。在電表中，AFE感測電流和電壓，所述感測的值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，然后將數(shù)字值到微控制器。在所有的情況下，將需要全智能儀表操作的其它部件。智能電表必不可少的外圍設(shè)備的設(shè)備，如EEPROM芯片并提供線路隔離光耦合器。而且，當(dāng)然，需要軟件來進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理功能，包括使用電力量的計(jì)算，和客戶的能源成本的處理。這就是說，所有提到的MCU的可用現(xiàn)在，并與一個(gè)或兩個(gè)外部集成電路的完整的智能電表功能，可以實(shí)現(xiàn)-在非常低的功耗。