基于90E46的单相智能电表设计方案

　　智能电能表作为智能电网的重要组成部分，其技术标准也在不断地发展之中，使得相应的芯片技术也在日益提高。以市场需求量最大的单相智能电能表为例，其技术发展主要表现在以下几个方面：

　　计量准确度要求越来越高，电流范围越来越宽，从之前的5（20）A到现在的5（60）A，再到1（100）A，早期的计量芯片已无法满足当前电能表设计的要求，高精度、宽量程的计量芯片被广泛应用。

　　数据和事件处理要求越来越多，使得MCU的运算能力和程序容量不断提高，传统的8-bit MCU会逐渐被32-bit MCU所取代。

　　智能电能表作为智能电网的最终节点，其数据通信要求越来越强，对外的通信方式有RS485、PLC、红外，并且要求各通信接口相互独立并能同时运行；这要求用于电能表设计的MCU具有丰富的硬件通信接口。

　　IDT的90E46就是顺应智能电能表的这种发展趋势，在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU内核，LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（RTC）于一体真正意义上的系统级芯片（SoC）。在计量动态范围5000:1 内，有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%，且只需要单点校准；实时时钟误差小于±0.5秒/天。

　　90E46芯片与硬件设计

　　90E46芯片简介

　　90E46是业界集成度最高的高精度宽量程单相电能计量SoC，在IDT既有的宽量程计量模拟前端（AFE）的基础上，集成了ARM Cortex-M0微处理器、LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（RTC），可以减少单相电能表的元器件数量，简化设计和生产流程，降低材料成本和库存管理难度。

　　90E46具有下列特性：

　　32位 ARM Cortex M0 内核，6KB RAM， 128KB Flash；

　　4路独立UART，UART0支持红外调制（IR），UART3支持硬件ISO7816协议；

　　集成硬件看门狗（WDT），支持中断功能；

　　2路25位通用PWM；

　　1路14位低功耗PWM，用于红外唤醒；

　　2路16位定时器

　　最多45个GPIOs，23个支持5V输入；

　　4个外部中断输入，可用于系统唤醒；

　　2路12位GPADC，集成高精度参考电压源和阈值比较电路；

　　1路低功耗电压比较器，用于芯片掉电检测；

　　芯片支持运行模式、睡眠模式、待机模式和LCD显示模式；

　　内置PLL电路，外部只需32.768kHz晶体即可工作；

　　符合IEC和ANSIC标准要求；可用于单相1级、2级有功电能表和2级无功电能表；

　　在计量动态范围5000:1内有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%；

　　片内参考电压源的温度系数典型值 6 ppm/ ℃；

　　电参数测量：电压/电流有效值、平均功率、频率、功率因数和相角的引用误差低于0.5%；

　　在整个动态范围内只需要单点校准，可用于50Hz 和 60Hz电网；

　　片内温度传感器在-40 ℃~ +85 ℃范围内准确度±1 ℃；

　　片内硬件RTC带频率补偿功能。补偿范围：-3900ppm 到3900ppm，补偿精度±0.12ppm；

　　内置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驱动器，含偏置电压生成电路；

　　工作温度：-40℃~+85℃；

　　TQFP100 绿色封装。

　　90E46的功能框图如图1所示：

　　图1 90E46功能框图

　　硬件设计

　　90E46采用了高集成度的芯片设计技术，外部只需要少量器件就可以实现最小系统功能。整个MCU小系统如图2所示：

　　图2 90E46 小系统电路

　　宽量程电能表的校准和软件设计

　　测量/计量校准

　　采用90E46设计的单相电能表，只需要在Ib电流点进行单点校准，即可保证5000:1动态范围内的计量准确度。对于1（100）A的电能表，可以在5A（或10A）电流下进行校表，同样可以满足整个电流范围内的计量准确度。整个校表流程如图3所示：

　　图3 90E46 校表流程