1 概述 電子式電能表在未來幾年內(nèi)將成為電能表市場的主流產(chǎn)品，而電能表內(nèi)部的計量IC是體現(xiàn)整表性能、功能和價格的核心。美國和歐洲電子式電能表器件的主要供應(yīng)商奧地利微電子公司（Austria Microsystems）推出了功率計量集成電路AS8228。該器件內(nèi)部集成有精確的單/雙路電流輸入能量測量前端、8位8051兼容微控制單元MCU、96段液晶顯示驅(qū)動（LCDD）、12個可編程多功能輸入/輸出腳（I/Os）、4線串行外設(shè)接口（SPI）、系統(tǒng)控制模塊（SCT）以及由外部備用電池供電的實時時鐘（RTC）,基于AS8228的單相電子式電能表完全滿足國際標準TEC62052和ANSI中的指標。不僅提高了能量計量可靠性，保證了計量產(chǎn)品在功能設(shè)計上的靈活性,而且極大簡化了計量系統(tǒng)的開發(fā)。 2 主要特點和引腳功能[1] AS8228的主要特點如下： 精確的能量測量前端為單相，單/雙路電流輸入，包括∑-△A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器，測量誤差小于±0.1%。動態(tài)范圍達到1000：1[2]; 兩電流通道可進行數(shù)字相位校準和增益放大倍數(shù)選擇： 內(nèi)置的電源監(jiān)視器用于上電復(fù)位和掉電監(jiān)測： 可編程的工業(yè)標準8位8051兼容微控制器,配置了24 KB的程序RAM和1KB的數(shù)據(jù)RAM： 兩個專為訪問和調(diào)試目的配置的通用異步收發(fā)器（UART）： 可編程看門狗定時器： 可進行片上數(shù)字校準,外部備用電池供電的實時時鐘/日歷，能直接向微控制器提供日期、時間及警報數(shù)據(jù)，數(shù)字刻度優(yōu)于6×10-6; 外部單獨的電池電源引腳和系統(tǒng)復(fù)位引腳; 小溫度系數(shù)的參考電壓，典型值為30x10-6/k; 低功率3.0 MHz～4.0 MHz的晶體振蕩器; 96段標準的片上LCDD接口： 12個可編程多功能輸入/輸出引腳。用于數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉/下拉電阻器和驅(qū)動強度選擇; 功率測量時可進行主電流超前或滯后主電壓狀態(tài)指示; 標準的SPI接口能從外部非易失存儲器（E2PROM ）中讀/寫數(shù)據(jù); 存儲溫度范圍：-55℃～+125℃，正常工作溫度范圍：-40℃～+85℃。 AS8228采用64引腳LQFP封裝，各引腳功能如下： VP，VN（1,2）：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是±100 mV; 11P，11N（3，4）：電流通道1的差模模擬輸入，范圍是+150 mV（PGA設(shè)置為4時）; 12P,12N（5，6）：電流通道2的差模模擬輸入，范圍是±150 mV（PGA設(shè)置為4時）; VDDA（7）：模擬電源，3.3 V±10%供電; VSSA（8）：模擬地，OV供電; IO0～IO11（9～12，15～19，26～28）：可編程多功能輸入/輸出口; VDDD（13，22）：數(shù)字電源，3.3 V±10%供電; VSSD（14，21）：數(shù)字地，O V供電; SI（20）：外部存儲器接口（串行數(shù)據(jù)輸入腳）; S N（23）：外部存儲器接口（片選信號，低有效）; SO（24）：外部存儲器接口（串行數(shù)據(jù)輸出腳）; SO（25）：外部存儲器接口（串行時鐘輸出腳）; TXD,RXD（29，30）：通用異步收發(fā)器UART1發(fā)送、接收端; VDD_BAT（31）：后備電池電壓輸入端，2.0 V～3.6 V供電; XIN,XOUT（32，33）：時鐘輸入，外接3.0 MHz～4.0 MHz晶體振蕩器，典型值為3.579 545 MHz; RES_N（34）：系統(tǒng)復(fù)位端，低有效; LBP0～LBP3（37，38，39，40）：LCD塊驅(qū)動輸出公共端; LSDO～LSD23（41～64）：LCD段驅(qū)動輸出端。 3 AS8228的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AS8228片內(nèi)提供了單相計量所要求的全部功能模塊，包括能量測量前端、工業(yè)標準的8位8051兼容微控制器MCU、系統(tǒng)計時與實時時鐘模塊、系統(tǒng)控制模塊、96段LCDD以及12個可編程多功能輸入/輸出引腳和標準的SPI接口。 3.1 能量測量前端 精確的能量測量前端是由模擬前端（AFE）和可編程DSP組成。 模擬前端有3路差模模擬輸人，專門用于主電壓、單路電流（相電流）或兩路電流（相電流和中性點電流）的測量。兩路輸入電流先經(jīng)可編程增益放大器（PGA）進行增益放大，然后經(jīng)∑-△A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號。輸出結(jié)果和經(jīng)∑-△調(diào)制器采樣的輸入電壓分別經(jīng)過三個可選的補償濾波器，該濾波器補償通過前面濾波器所產(chǎn)生的幅值損耗，再通過三個可選的高通濾波器除去在有效值和電能計算之前電流和電壓中的直流成分，高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率小于10 Hz。濾波后的電壓、電流值先用于功率計算。然后再校準計算有效值。 兩路電流可通過兩電流傳感器或一只分流電阻和一個電流傳感器獲取，這樣可確保在任何一個竊電連接裝置有所改變時，即包括接人和接出的相互轉(zhuǎn)換、相和中性點的相互轉(zhuǎn)換、中性點撤消或同時出現(xiàn)這幾種情況時，電表依然可以測量和記錄電能[3]。內(nèi)部增益放大器的增益可編程選擇4、16或20。當選擇不同的PGA時，輸入差模電壓的范圍不同，獲取電流的途徑也不相同。 電壓的獲取可通過低成本的電壓分阻網(wǎng)絡(luò)，使差模輸入在額定條件下為100 mV。 計算功率時，電流取任意一路或兩路中較大的一路電路，電壓取線路電壓或內(nèi)部設(shè)定的一常數(shù)電壓值（默認為083Dh，等效主電壓311 V）。有功功率由瞬時功率通過低通濾波器獲得，低通濾波器的截止頻率為18.6 Hz。 如果設(shè)計成傳統(tǒng)的單相電流計算，則只接電流通道1取相電流，通道2不連接。 片上DSP對ADC輸出的數(shù)據(jù)進行濾波處理,為MCU提供適合的數(shù)據(jù)和協(xié)議。再由電表生產(chǎn)廠商對MCU自由編程實現(xiàn)電表要求的所有功能，包括有功功率、無功功率、視在功率、主電壓有效值、主電流有效值和功率因數(shù)等。計量廠商可根據(jù)要求設(shè)計產(chǎn)品，保證了靈活性。 DSP內(nèi)部有儀表數(shù)據(jù)寄存器（MDR）和設(shè)置寄存器（SREG）。MDR中存儲最新的數(shù)據(jù)供MCU處理，共有5個。SREG對電表的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置和指示，共13個。 內(nèi)部參考電壓為整個電路提供溫度穩(wěn)定性,確保AS8228的測量精度。 內(nèi)置的電源監(jiān)視器（PSM）確保當電源電壓上升和下降時，系統(tǒng)能獨立產(chǎn)生復(fù)位。 3.2 微控制單元MCU 微控制單元MCU與標準的8051微控制器兼容，內(nèi)含一個微處理器核、程序存儲器（P_RAM）、數(shù)據(jù)存儲器（X_RAM）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（I_RAM）、方根計算單元、計數(shù)器Timer0和通用異步收發(fā)器UART2。 微控制單元MCU有如下特點： 　　采用了Von Neumann結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)單元地址部分共享： 　　比標準的8051更優(yōu)化的時鐘周期。部分指令可以在單個時鐘周期內(nèi)完成： 　　8051標準的16位計數(shù)器Timer0和RS232串口UART1： 　　特殊功能寄存器：通用異步收發(fā)器UART2，方根模塊SQRT： 　　完全兼容8051指令系統(tǒng)： 　　7個內(nèi)部中斷源： 　　每條指令占用6個時鐘周期（標準的8051則為12個時鐘周期）。 3.3 液晶顯示驅(qū)動（LCDD） LCDD幾乎可以直接驅(qū)動24×4段任何類型的液晶（LCD）。LCD的數(shù)據(jù)寄存器有兩組，用于輪流接收和存儲將要送去顯示的信息。LCDD的控制模塊選擇某一組寄存器，將信息譯碼，并適時地送到相應(yīng)的段顯示，使編程簡單化。調(diào)節(jié)LCD對比度的電壓值為均分在2.5 V～3.0 V的8個值中的一個,通過寄存器selvlcd[2：0]選取。LCD的段和公共端的驅(qū) 動電壓有4個，分別選定電壓值的0、1/3、2/3和l。 3.4 串行外設(shè)接口（SPI） 串行外設(shè)接口是一個同步、位串聯(lián)的4線接口，全雙工傳輸數(shù)據(jù)，用于直接與外部E2PROM通信。通信時，SPI與E2PROM有嚴格的主從關(guān)系，系統(tǒng)啟動后，引導(dǎo)裝入程序控制SPI自動讀取E2PROM中的內(nèi)容,然后才可對MCU編程。其主要特點如下： 標準的4線同步串口（SI，SO，SC，s_N）; 　　只運行在主方式下; 　　8位的字長; 　　SC空閑時為高電平; 　　先發(fā)送最高位; 　　4個可供選擇的時鐘配置; 　　SPI時鐘分辨率可在mcu_clk/2～mcu_clk/65536之間選擇： 　　3個可屏蔽中斷：傳輸完成，溢出和傳輸碰撞。 　　當S N=0時,數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入。 SPI由4個寄存器對其進行管理，分別為控制寄存器（SSPCON）、時鐘配置寄存器（SSPCLKDIV）、狀態(tài)寄存器（SSPSTAT）和數(shù)據(jù)寄存器（SSPBUF），地址空間范圍為：9400h～9403h。 3.5 系統(tǒng)控制模塊（SCT） SCT在處理不同的運行方式（正常方式、測試方式），時鐘產(chǎn)生和復(fù)位控制等方面起作用。內(nèi)部異步收發(fā)模塊UART1提供AS8228與外部通信的接口，包括寫入程序和數(shù)據(jù)。E2PROM中的程序就是直接通過UART1端口RXT寫入的，也可通過UART2和 MCU寫入,但此時需要一個專用的NCU程序處理此數(shù)據(jù)流和指定專用的I/O口作為,AS8228與外部通信的接口。當然，要從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)，也可以通過UART端口。 3.6 系統(tǒng)計時和實時時鐘模塊 系統(tǒng)計時和實時時鐘模塊內(nèi)部包含低功率晶體振蕩器（LP_OSC），低功率分配器（LP_DIV）和實時時鐘模塊（RTC）。當外部電源VDD供電中斷時，由AS8228的VDD_BAT引腳外接3.3 V后備電池供電。 低功率振蕩器外接3.0 MHz～4.0 MHz的晶體振蕩器，提供系統(tǒng)時鐘。振蕩器可工作在兩種模式：正常模式和低功率模式。低功率模式時電路其他部分不工作。 低功率分配器先將振蕩器提供的主時鐘除以固定值5作為可編程分配器輸人，通過設(shè)置相關(guān)的寄存器對輸入時鐘進行分割，給實時時鐘模塊提供1 Hz的信號。時鐘模塊與MCU之間通過專用的接口寄存器相連。 4 AS8228應(yīng)用電路設(shè)計 AS8228在電能計量中的典型應(yīng)用電路。3.3 V的工作電源是通過電壓調(diào)節(jié)電路直接從線路上取得。 通道1的電流是用一個分流電阻獲取，分流電阻的大小與PGA的選取和主電流大小均有關(guān)。若PGA=20,主電流的有效值Irms=60 A，則分流電阻Rsh=30 mV/（21/2×60 A）=354μΩ。 通道2的電流是電流傳感器獲取，電流傳感器的次級繞阻輸出負載阻抗大小與額定條件下其二次側(cè)電流有效值和,PGA的選取有關(guān)。若電流傳感器的型號為60 A/24 mA,PGA=4，則輸出負載阻抗。 選擇4.3 Ω。 若電壓通道接入的電壓有效值為230 V，則由電壓分阻網(wǎng)絡(luò)可得： 12個輸入/輸出端可以指定為輸入或輸出。它通過相關(guān)的寄存器編程設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸方向、上拉或下拉電阻以及驅(qū)動強度（4 mA或8 mA）。寄存器總共5類，分別為：配置寄存器、輸入寄存器、輸出寄存器、脈沖計數(shù)寄存器和狀態(tài)寄存器,地址空間范圍為9500h～951Fh。本設(shè)計任意選擇三個端口分別用于校表、能量方向指示、電流通道1或通道2選擇。 與SPI接口連接的E2PROM必須滿足AS8228對外部存儲器的最低要求： 典型的SPI引腳：EEP_SI、EEP_SO、EEP_SC、EEP_S_N; 為了滿足當mcu_clk最大為4 MHz時，程序被正確的引導(dǎo)裝入,串行輸入時鐘≥1 MHz。 引導(dǎo)裝入程序通過配置至少要有4條指令（WREN、RDSR、READ和WRITE）下載用戶程序，系統(tǒng)控制單元通過兩條指令（READ_和WRITE_P）上載用戶程序和數(shù)據(jù)到E2PROM; E2PROM運行有兩種模式：CPOL=O,CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1（推薦）。在CPOL=1，CPHA=1模式下，數(shù)據(jù)在SC的下降沿輸出，上升沿輸入;空閑時，SC為高電平; 數(shù)據(jù)循環(huán)存放，即當存儲數(shù)據(jù)的地址達到存儲器的最大地址時。地址指針指向0000h; 程序的長度放在地址內(nèi)容的最高兩位，數(shù)據(jù)讀寫時先取指令、地址，再傳輸數(shù)據(jù)長度和內(nèi)容。 為了滿足以上要求，選用Microchip公司的25AA640-I/SN。其存儲容量為8 KB，工作電壓范圍為1.8 V～5.5 V。最大時鐘頻率為1 MHz[4]。 后備電池電壓在2.0 V～3.6 V之間選取，這里選用3.3 V。 5 結(jié)束語 AS8228是一種低功耗、高精度和高性能的能量計量電路。它內(nèi)部集成了電力公司所要求的全部防竊電功能。確保電表在大部分逆向篡改運行情況下能正常地計量用電量，不僅提高了計量可靠性，大大減輕了編程人員的負擔，保證了計量廠商在計量產(chǎn)品功能設(shè)計上的靈活性。而且使得計量系統(tǒng)的開發(fā)得到極大的簡化，縮短了產(chǎn)品上市時間。