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为物联网设计增加能量测量特性

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发表于 2018-02-08 16:39:55
电梯直达 确定
楼主

  如果MCU具有集成的模数转换器(ADC),那么将功率测量添加到基于微控制器的物联网(IoT)设计中是很简单的。然而,确保准确的结果可能是一个挑战。工程师可以通过一些额外的组件和一些额外的处理来满足这些挑战,甚至可以使用专用的能量测量设备来处理更复杂的需求。


  能源测量已经成为一个越来越重要的功能,包括电网友好的设备,智能插头和家用电器,在一个日益增长的列表中。除了提供一个竞争的差异,能量测量是一个关键因素在复杂的自动化系统能够发现异常的电力使用模式与维修问题。事实上,智能家电给消费者带来的不仅仅是当衣服准备从烘干机里拿出来时的便捷性。通过提供整个家庭的能源使用模式信息,这些产品不仅可以帮助消费者优化能源使用,还可以警告潜在的故障,允许用户使用预防性维护措施以避免更高的成本和更大的不便。


  利用集成单片机

  Conceptually,构建一个用于单片机设计一个能源计量特性是简单enough:第六通过重复采样瞬时电压和电流li,瞬时功率只是按照产品VIN的总和计算含x???(?),φ是电压和电流之间的相位差(Figure 1).(For的目的基本测量的能量consumption,某些应用程序甚至可以忽略differences,进一步简化requirements.)阶段


为物联网设计增加能量测量特性

  原则上,基于mcu的物联网设计可以管理与基本功率计算相关联的增量处理负载。

  图1:原则上,基于mcu的物联网设计可以管理与基本功率计算相关的增量处理负载。意法半导体(礼貌)


  MCUs集成的ADC提供了一种性价比高的解决方案,用于在智能设备中实现低部件的能源测量功能——或者使用这些设备中的任何一个IoT设计。在理论上,设计者只需要样线电压和电流来计算功率,存储本地显示的结果,或者将它们传输到云或本地控制器,例如家庭自动化管理节点。然而,在实践中,这种方法的简单性导致了额外的设计挑战。

  典型的mcu集成ADC不会提供线路电压和电流测量所需的动态范围或分辨率,但精确测量这些值是至关重要的。实际上,这些初始值中的重大错误将会影响简单功率计算的结果,而不是其他能量特性的计算。因此,设计人员需要增加放大器和其他调节元件,以提供与ADCs动态范围相匹配的有用信号(图2)。此外,功率测量通常测量活动线和中性线的电流,以帮助检测任何故障情况。最后,根据应用程序,可能需要带通滤波器、瞬态电压抑制二极管和隔离器等部件。

  为了实现功率测量,使用ADC集成在一个典型的用于物联网设计的单片机中,工程师通常只需要为信号调节和控制添加几个组件。


为物联网设计增加能量测量特性

  图2:利用ADC集成在IoT设计的典型单片机中实现功率测量,工程师通常只需要为信号调节和控制添加几个组件。(由凯利讯半导体)

  如图2所示,单片机如Microchip PIC16F873A或PIC18F2320控制输入放大器增益,并对当前测量的有源线和中性线进行选择。


  ADC的局限性

  即使使用了额外的组件,MCUs集成ADC的使用也是一种有效的非实用能源测量方法。然而,功率计算需要同时采样电压和电流——这一要求与嵌入在典型低成本单片机中的单个ADC的可用性相冲突。通过一个ADC,电压和电流测量的时间将会随着ADC输入从电压-感觉线转换到电流线而不同。尽管随着多路高速ADC组合集成在更昂贵的MCUs上,时间tm可能会显著减少,但同样的冲突也适用于这些设备。

  设计师可以使用插值技术来解决这一差异——在单个电流测量之前和之后测量电压(或相反,在一次电压测量之前和之后测量电流)。如果两个括号测量值(对应于~2tm)之间的时间相当短,那么在系统误差范围内,两个括号电压采样的电压曲线段将是线性的。因此,线性插值提供了一种合理的方法来估计当前测量时的电压值。


  加强测量

  许多物联网设计很可能是基于一个集成ADC的低成本单片机。此外,许多物联网应用程序对单片机的操作施加一个相对较低的工作周期,使单片机循环可用作基本的能量计算。因此,设计人员通常可以添加一个相当精确的能量测量特性,对物联网设备本身的成本和大小影响最小。

  如果能量测量是一个主要的要求,选择一个具有增强抽样能力的单片机是另一个选择。例如,德州仪器MSP430I2xx MCU系列包括集成多个独立的差分输入24位sigma-delta adc的设备(例如,MSP430I2020上的两个adc和MSP430I2041上的四个adc)。ADC的运行方式是同步的,但硬件实际上允许采样时间被精确控制的步骤抵消,以校正电压和电流信号之间的任何相变。

  如果其他设计要求避免使用这种类型的单片机,设计人员可以转而使用专用的adc,但部件计数开始上升,以适应需要的放大器和其他组件,以满足adc的最佳转换信号。一个多通道模拟前端(AFE)设备,如微芯片技术MCP3901可以提供更有效的解决方案,在许多情况下,通过集成信号调节和转换所需的完整信号路径来简化设计。

  MCP3901是一个双通道AFE,包含两个同步采样delta-sigma ADC,两个可编程增益放大器,一个相位延迟补偿块内部电压基准,调制器输出块,以及高速20mhz SPI兼容串行接口。该设备的高集成度让设计师在简单的系统设计中只使用几个组件来实现能量测量(图3)。在图中,MCP3901使用一个简单的模拟输入电路和最小的数字接口来处理微芯片PIC18F65J90 MCU、25LC256 EEPROM和MCP2200数字接口。

  Microchip MCP3901 AFE帮助简化了能量测量设计,提供了一个简单的数字接口(a),而模拟输入只需要几个额外的组件(B)。

  Microchip MCP3901 AFE帮助简化了能量测量设计,提供了一个简单的数字接口(a),而模拟输入只需要几个额外的组件(B)。

  (A)(B)


为物联网设计增加能量测量特性

  图3:Microchip MCP3901 AFE帮助简化了能量测量设计,提供了一个简单的数字接口(a),而模拟输入仅需要几个额外的组件(由凯利讯半导体提供)

  在向基于mcu的物联网设计中添加能量测量功能时,AFE可以帮助减少零件计数。另一方面,它仍然将处理负载添加到主单片机。如前所述,具有低关税循环要求的物联网设备很容易处理能量测量所需的额外处理。如果附加的功能包括更复杂的能量特性的计算,那么MCU可能会面临一个高得令人望而却步的处理负载。在这些情况下,设计师可以交付复杂的功能,提高精度,但是仍然可以通过使用专用的能源计量学来简化设计,如Maxim集成的78M6610+LMU。这些设备集成了多个完整的信号链和一个处理核心,用于从芯片存储中执行能量计算(图4)。

  诸如Maxim 78M6610+LMU这样的设备为能量测量提供了一个单芯片解决方案,将信号链与一个专门用于计算功率特性的处理器集成在一起。


为物联网设计增加能量测量特性

  图4:像Maxim 78M6610+LMU这样的设备提供了一个能量测量的单片机解决方案,将信号链与一个专门用于计算功率特性的处理器集成在一起。

  该准则78M6610+LMU提供了四个模拟输入的灵活的传感器配置,包括相位补偿寄存器,允许开发人员补偿由芯片传感器电路引入的电压输入源和相应电流源之间的相位误差或时间延迟。内部的24位处理器使用芯片的场升级固件来执行所有必要的信号处理、补偿和数据格式,以实现精确的实时测量。

  78M6610+LMU不仅能计算瞬时有功功率,还能产生更复杂的功率特性,包括瞬时无功功率、平均有功功率、平均无功功率、表观功率、功率因数。此外,该装置还包括将低电压、电流、有功功率和无功功率测量结果分离成基本和总谐波分量的能力。这些输出也可以用来跟踪单个的谐波以及不包括所选谐波的总值。Maxim集成了78M6610+LMUEVK评估组件,包括一整套设计资源,包括完整的示意图,以帮助启动设计。


  结论

  随着能量测量在连接智能产品中扮演越来越重要的角色,设计师必须与新的需求相抗衡,以提升现有设计的基本功率测量功能,或在新设计中实现更复杂的功能。在许多情况下,开发人员可以通过利用ADC集成在许多MCUs中已经在IoT设计中使用的ADC来包括电能测量功能。当IoT设计的MCU不能用于这个角色时,设计师可以转向高度集成的AFEs,甚至是专用的能源计量学,能够提供复杂的能量测量特性,对物联网设计成本、包装尺寸或交付进度的影响最小。

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