利用面向高級電力管理和工業(yè)控制的多通道單轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

如今的電力管理和工業(yè)自動化應(yīng)用常常需要將多個傳感器的測量數(shù)據(jù)送到本地的嵌入式處理器來實時處理，這些嵌入式處理器則針對特定應(yīng)用的需求進行了優(yōu)化。

不管系統(tǒng)的任務(wù)是防止篡改居民電表讀數(shù)，針對工廠電力分配提供完全可調(diào)的斷路器接合特性，還是依據(jù)多個傳感器的輸入來控制生產(chǎn)自動化過程，其基本的架構(gòu)挑戰(zhàn)非常相似。有效的解決方案需要一整套高效的模擬信號處理、精密A/D轉(zhuǎn)換、對多通道混合信號輸入的可編程同步處理，以及與基于微處理器的更高級別功能的整合，如I/O、閃存、LCD顯示器接口等等。

正如本文所討論的那樣，先進的混合信號SoC的演變有助于推進電力行業(yè)向固態(tài)計量變遷，與此同時還降低了成本并通過多相多通道處理技術(shù)改進了防止篡改讀數(shù)的功能。目前，這些相同的基礎(chǔ)性混合信號SoC架構(gòu)還在為更低成本、更高性能的能量管理、過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供更有效的解決方案。

早期的固態(tài)電表設(shè)計要用多片IC來完成所需的功能組合。例如，一個微控制器負責(zé)管理和控制任務(wù)，同時由多個A/D轉(zhuǎn)換器處理計量功能。隨后是進一步的集成，大的電表制造商獨立地開發(fā)了專有的ASIC來處理A/D轉(zhuǎn)換。然而，新的計量需求的持續(xù)演變再加上競爭壓力使依賴固定功能ASIC與通用微控制器組合的缺點及不靈活性暴露無遺。

伴隨著高集成度混合信號SoC設(shè)計的問世，電表設(shè)計出現(xiàn)了一個大躍進，電表制造商獲得了實現(xiàn)高性能、低成本計量應(yīng)用的單芯片可編程解決方案，同時仍然為產(chǎn)品的差異化提供了充分的機會。

除了單芯片SoC集成的固有好處外，獲得成功的一個關(guān)鍵因素是混合信號A/D轉(zhuǎn)換和多通道集成功能的設(shè)計。例如，Teridian公司的71M651x架構(gòu)中的專利技術(shù)Single Converter Technology(單轉(zhuǎn)換器技術(shù))使用了一個21位的二階Δ-∑型A/D轉(zhuǎn)換器，它最多可處理7路模擬輸入并有一個可編程計算引擎(CE)。這個32位的CE接收并處理來自該21位A/D轉(zhuǎn)換器的所有傳感器數(shù)據(jù)，而且它的運行獨立于負責(zé)更高級系統(tǒng)管理和外部接口任務(wù)的片上8位微控制器內(nèi)核。這種功能的劃分使得混合信號計量子系統(tǒng)可以提供高速度、高可靠性和出色的動態(tài)量程，同時沒有外部中斷的負擔(dān)或不必要的處理額外開銷(參見圖1)。

業(yè)界的經(jīng)驗已經(jīng)表明，與為每個通道專門分配一個A/D轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)相比，多路復(fù)用的系統(tǒng)一般能提供最低的成本。不過，多路復(fù)用的系統(tǒng)是采用開關(guān)電路來掃描許多條輸入通道，輪流采樣每條通道以便由單一的A/D轉(zhuǎn)換器來處理有關(guān)數(shù)據(jù)。多路復(fù)用向系統(tǒng)設(shè)計人員提供了增益的一致性、偏置的一致性，降低了通道之間的串擾，因而是一種設(shè)計靈活和成本較低的解決方案。

一個多路復(fù)用的方法尤其適合于具有多個獨立輸入信號但其性質(zhì)類似的應(yīng)用，如電力測量和許多工業(yè)自動化應(yīng)用，包括過程控制傳感器測量和電機控制。一個關(guān)鍵的需求就是保存各個通道之間的相位信息，以便使一個多路復(fù)用系統(tǒng)中的CE能對不同通道完成“同步”測量。此外，與為每個通道專門分配單獨的A/D轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)相比，單轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供了較低的通道之間串擾，這是電力測量應(yīng)用中的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。

混合信號、多通道SoC架構(gòu)的固有靈活性可被充分用于實現(xiàn)各種高級計量功能，從1相/2輸入的基本住宅電力計量一直到3相/7輸入的高端商用電力表。它可以通過編程補償內(nèi)部和/或外部溫度波動并支持有功功率、無功功率、RMS和其它測量功能，幾乎涉及各種傳感器輸入的任意組合，包括電阻分路器、電流變壓器或Rogowski線圈。

圖1：Teridian的71M651x架構(gòu)是一個典型的多路復(fù)用系統(tǒng)

這種靈活性使得儀表制造商和電力供應(yīng)公司進一步降低成本，它們可以讓智能計量引擎充分利用較低成本的傳感器技術(shù)。例如，在多相計量中，電流變壓器已經(jīng)普遍用于中性線電流測量以檢測竊電狀況，而Rogowski線圈可以作為一種首選的解決方案，因為它不使用一個金屬芯，對磁竊電的抵抗力相對要強，成本也比帶屏蔽的電流變壓器要便宜大約20%。Rogowski線圈的缺點在于其差分輸出必須用電子方式整合以提供所需的電流讀數(shù)，在過去這樣做必需昂貴的附加外部電路。

由于這些功能現(xiàn)在可以由一個可編程的CE進行內(nèi)部處理和實現(xiàn)，因此業(yè)界正經(jīng)歷著一個成本劇減的時期，其做法就是用Rogowski線圈實現(xiàn)防竊電功能。這對于在發(fā)展中國家運營的供電企業(yè)來說是一個主要的優(yōu)勢，例如在中國、印度、俄羅斯、東歐和南美，用電的迅速增長和竊電帶來的風(fēng)險必須一并解決。

可編程、多通道的混合信號SoC架構(gòu)的固有靈活性還使得它成為實現(xiàn)各種各樣其它應(yīng)用的理想架構(gòu)。例如，一個自動反饋控制回路的建立很容易通過連接來自一個或多個測量功率、壓力、位置、振動、流量、溫度或濕度傳感器的輸入并把其輸出連接到一個過程控制器來實現(xiàn)，如可編程邏輯控制器(PLC)、運動控制器或工業(yè)自動化系統(tǒng)中常見的其它控制系統(tǒng)。

還可以通過對SoC的內(nèi)部計算引擎編程來補償傳感器輸入的特殊波動，使得該系統(tǒng)可以為特定的測量進行優(yōu)化。通過把該器件連接到一個負載單元，它可以作為一個既考慮商業(yè)及工業(yè)成本問題又滿足精度需求的均衡器。另一個重要的應(yīng)用是把該器件用作一個“電子接合單元”，其實現(xiàn)方法是編程確定其開關(guān)閾值和延遲屬性并監(jiān)測電力線瞬間干擾。該器件可用在工業(yè)電力線斷路器中，保護工業(yè)制造和封裝設(shè)備。

總而言之，采用基于SoC的智能混合信號、多通道可編程器件已經(jīng)刺激計量應(yīng)用的功能、特性邁向一個新的臺階，成本也得到進一步的降低。目前，相同的基礎(chǔ)芯片級架構(gòu)已準備好為改進工業(yè)自動化和控制創(chuàng)造全新的機會。