嵌入式功率計或分表為各種產(chǎn)品提供能源監(jiān)控功能，如智能插頭，家用電器和其他耗電設備。對于產(chǎn)品設計人員而言，提供這些分表功能的挑戰(zhàn)通常更多地取決于設計的簡易性以及功率測量所需的精度。在構(gòu)建有效的分表解決方案時，工程師可以使用ADI，Atmel，F(xiàn)reescale Semiconductor，Maxim Integrated，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的各種集成器件，實現(xiàn)簡單性和復雜性之間的平衡。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等趨勢有望大大提高電子傳感和控制的分辨率，智能設備的擴散幾乎可以滲透到生活的各個方面。子電表提供了大致相同的改進，為房主和商業(yè)運營商提供了關(guān)于單個產(chǎn)品消耗的電力的細粒度信息。這些設備不是通過電力公用事業(yè)計量表測量的總功耗，而是幫助個人更好地了解家庭和設施中能源消耗的來源和原因。

然而，所有電表的基礎，電壓和電流的可靠測量對于計算各種重要參數(shù)（包括有功，無功和視在能量）至關(guān)重要;有功，無功和視在功率;功率因數(shù);峰值電流和電壓;和RMS電流和電壓。除了這些通用功能之外，隨著開發(fā)人員對連接，安全性和監(jiān)控功能的要求不斷提高，智能電表設計的復雜性也在不斷提高（圖1）。

圖1：隨著對精度，連接性，安全性和附加功能的更高需求，能量計復雜性也隨之增加。 （由德州儀器公司提供）

相比之下，子電表保持更為適度的要求，并以盡可能低的成本爭取足夠的能力。在許多情況下，子電表設計可以將要求降低到基本能量測量，利用嵌入子電表功能的主機應用程序中包含的連接性，安全性和其他功能。此外，功率測量和各種導出參數(shù)的準確度隨能量計的類型而顯著變化。公用事業(yè)公司用于計費目的的功率計通常要求0.1％的準確度（0.1米級）。相比之下，嵌入在電器和智能插頭中的電能表在向用戶提供合適的功耗信息方面具有明顯更寬松的精度要求。

雖然能量計算在高端儀表中非常復雜和廣泛，但所有能量計量設計都從測量瞬時電壓和電流開始。因此，在最基本的形式中，能量測量設計需要換能器來感測電壓和電流值，模擬前端（AFE）用于捕獲來自傳感器的數(shù)據(jù)，處理單元用于執(zhí)行能量測量計算，以及一些機制顯示這些結(jié)果或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒墑e的應用程序（圖2）。在子表中，簡單的電阻分壓器可用作電壓傳感器。對于電流傳感器，設計人員通?？梢允褂梅至麟娮?- 或在需要隔離時采用電流互感器或Rogowski線圈。

圖2：簡單的要求簡化了分表和其他非計費能量計量應用的設計復雜性，甚至無需單獨的模擬前端 - 當具有集成模擬外設的MCU能夠提供足夠的精度時結(jié)束。 （由飛思卡爾半導體公司提供）

對于精度要求不太嚴格的子測量應用，帶有集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和其他片上外設的MCU非常適合構(gòu)建簡單而有效的子電表設計。例如，德州儀器（TI）MSP430AFE253超低功耗混合信號MCU集成了三個獨立的24位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，具有差分PGA輸入，一個16位定時器，一個16位硬件乘法器，USART通信接口，看門狗定時器和11個I/O引腳。

飛思卡爾半導體推出自己的MCF51EM256 MCU，作為智能電表芯片。憑借其集成的32位ColdFire MCU，16位ADC和計量專用外設，MCF51EM256針對電能計量應用進行了優(yōu)化 - 甚至包括用于本地測量顯示的嵌入式LCD控制器。通過這些集成的MCU，電能計量使用片上模擬處理功能進行測量，并使用處理器內(nèi)核進行能量計算。因此，使用這些設備的工程師只需添加一些外部組件即可構(gòu)建完整的能量測量設計（圖3）。

圖3：借助集成ADC，德州儀器（TI）MSP430AFE253等MCU為嵌入式電能計量提供了一種簡單而有效的解決方案。 （德州儀器公司提供）

當需要更精確的測量時，集成的MCU（如飛思卡爾Kinetis MKM33計量MCU）可以提供0.1％精度的功率計算。 MDK33 MCU基于32位ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，集成了高精度24位Σ-ΔADC，12通道16位SAR ADC，可編程增益放大器和高精度電壓基準。

多核MCU的出現(xiàn)為更復雜的單芯片子電表設計提供了極具吸引力的解決方案。利用多核器件，設計人員可以完成復雜應用的執(zhí)行，而不會影響能量測量。在這種方法中，一個核心可以用作能量測量的實時處理器，而另一個核心可以僅關(guān)注高級應用程序處理。例如，該公司SAM4CM系列的Atmel SAM4CMS8，SAM4CMS16和SAM4CMS32成員將一對ARM Cortex-M4 32位內(nèi)核與片上電能計量AFE模塊，以及廣泛的嵌入式閃存，SRAM和芯片緩存。片上電能計量模塊包括多個高分辨率Σ-ΔADC，電壓基準，溫度傳感器和低噪聲可編程增益放大器，能夠適應各種電流和電壓傳感器。

雖然片上ADC和相關(guān)外設的使用可以滿足許多分表要求，但要求更高測量精度的應用可以利用專用計量IC，這些IC專為基于MCU的設計提供智能AFE（參見圖2）。與用于一般數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)AFE不同，這些專用設備集成了模擬外設和數(shù)字信號處理功能，使他們能夠計算并向主處理器提供關(guān)鍵能量測量。

例如，ADI公司的ADE7763（圖4）電能計量IC集成了兩個二階16位Σ-Δ型ADC，一個數(shù)字積分器，一個參考電路，一個溫度傳感器，以及所有生成有源和視在電能測量，線電壓周期測量以及電壓和電流通道上的均方根計算所需的信號處理能力。該器件包括一個可選擇的片上數(shù)字積分器，可為di/dt電流傳感器（如Rogowski線圈）提供直接接口，無需外部模擬積分器，同時在電流和電壓通道之間提供精確的相位匹配。

圖4：專用的能量測量IC，例如ADI公司的ADE7763，增強了傳統(tǒng)的模擬前端功能，具有執(zhí)行復雜能量計算的專用功能，無需干預主處理器。 （由Analog Devices提供）

Maxim Integrated 71M6541D測量SoC集成了一個5 MHz 8051兼容的MPU內(nèi)核，一個32位計算引擎，模擬外設，閃存，RAM，RTC，LCD驅(qū)動器，以及SPI接口等功能。該器件的模擬處理能力的核心是采用Maxim Integrated的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)，包括22位Δ-ΣADC，多個模擬輸入，數(shù)字溫度補償和精密電壓基準。結(jié)合32位計算引擎，這些片上模擬模塊允許器件支持各種外部元件的計量應用。

同樣，STMicroelectronics STPM01電能計量IC結(jié)合了Σ-ΔADC模塊，電壓基準，穩(wěn)壓器和固定功能DSP，可提供有功，無功和視在電能，以及RMS和瞬時電壓值和當前。該器件在兩個獨立通道上執(zhí)行并行A/D轉(zhuǎn)換。反過來，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被提供給內(nèi)部DSP，內(nèi)部DSP根據(jù)需要對這些信號進行濾波和積分，以提高分辨率并計算所需的測量值。

結(jié)論

分表設計可以顯著提供與用于計費的高端公用事業(yè)計量表相比，要求更簡單。嵌入式智能插頭，電器和其他耗電產(chǎn)品，子電表設計可以利用各種可用的IC來滿足各種精度要求。雖然具有集成模擬功能的MCU可以滿足更寬松的精度要求，但MCU和專用電能計量IC的組合可提供更高精度的解決方案。利用可用的MCU和計量IC，工程師可以在任何目標應用中嵌入能量測量所需的設計簡便性和測量能力之間找到所需的平衡。