利用面向高級(jí)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(dòng)化應(yīng)用常常需要將多個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)送到本地的嵌入式處理器來實(shí)時(shí)處理，這些嵌入式處理器則針對(duì)特定應(yīng)用的需求進(jìn)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(duì)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(gè)傳感器的輸入來控制生產(chǎn)自動(dòng)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(hào)處理、精密A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)多通道混合信號(hào)輸入的可編程同步處理，以及與基于微處理器的更高級(jí)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(jìn)的混合信號(hào)SoC的演變有助于推進(jìn)電力行業(yè)向固態(tài)計(jì)量變遷，與此同時(shí)還降低了成本并通過多相多通道處理技術(shù)改進(jìn)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(hào)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(dòng)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(jì)要用多片IC來完成所需的功能組合。例如，一個(gè)微控制器負(fù)責(zé)管理和控制任務(wù)，同時(shí)由多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器處理計(jì)量功能。隨后是進(jìn)一步的集成，大的電表制造商獨(dú)立地開發(fā)了專有的ASIC來處理A/D轉(zhuǎn)換。然而，新的計(jì)量需求的持續(xù)演變?cè)偌由细?jìng)爭(zhēng)壓力使依賴固定功能ASIC與通用微控制器組合的缺點(diǎn)及不靈活性暴露無遺。

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

除了單芯片SoC集成的固有好處外，獲得成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是混合信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換和多通道集成功能的設(shè)計(jì)。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(gè)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(gè)可編程計(jì)算引擎(CE)。這個(gè)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(yùn)行獨(dú)立于負(fù)責(zé)更高級(jí)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(hào)計(jì)量子系統(tǒng)可以提供高速度、高可靠性和出色的動(dòng)態(tài)量程，同時(shí)沒有外部中斷的負(fù)擔(dān)或不必要的處理額外開銷(參見圖1)。

業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，與為每個(gè)通道專門分配一個(gè)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(jì)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?dāng)_，因而是一種設(shè)計(jì)靈活和成本較低的解決方案。

一個(gè)多路復(fù)用的方法尤其適合于具有多個(gè)獨(dú)立輸入信號(hào)但其性質(zhì)類似的應(yīng)用，如電力測(cè)量和許多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，包括過程控制傳感器測(cè)量和電機(jī)控制。一個(gè)關(guān)鍵的需求就是保存各個(gè)通道之間的相位信息，以便使一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)中的CE能對(duì)不同通道完成“同步”測(cè)量。此外，與為每個(gè)通道專門分配單獨(dú)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?dāng)_，這是電力測(cè)量應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

混合信號(hào)、多通道SoC架構(gòu)的固有靈活性可被充分用于實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)計(jì)量功能，從1相/2輸入的基本住宅電力計(jì)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(bǔ)償內(nèi)部和/或外部溫度波動(dòng)并支持有功功率、無功功率、RMS和其它測(cè)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(gè)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(jìn)一步降低成本，它們可以讓智能計(jì)量引擎充分利用較低成本的傳感器技術(shù)。例如，在多相計(jì)量中，電流變壓器已經(jīng)普遍用于中性線電流測(cè)量以檢測(cè)竊電狀況，而Rogowski線圈可以作為一種首選的解決方案，因?yàn)樗皇褂靡粋€(gè)金屬芯，對(duì)磁竊電的抵抗力相對(duì)要強(qiáng)，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(diǎn)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(gè)可編程的CE進(jìn)行內(nèi)部處理和實(shí)現(xiàn)，因此業(yè)界正經(jīng)歷著一個(gè)成本劇減的時(shí)期，其做法就是用Rogowski線圈實(shí)現(xiàn)防竊電功能。這對(duì)于在發(fā)展中國家運(yùn)營的供電企業(yè)來說是一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)，例如在中國、印度、俄羅斯、東歐和南美，用電的迅速增長(zhǎng)和竊電帶來的風(fēng)險(xiǎn)必須一并解決。

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

還可以通過對(duì)SoC的內(nèi)部計(jì)算引擎編程來補(bǔ)償傳感器輸入的特殊波動(dòng)，使得該系統(tǒng)可以為特定的測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化。通過把該器件連接到一個(gè)負(fù)載單元，它可以作為一個(gè)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(gè)重要的應(yīng)用是把該器件用作一個(gè)“電子接合單元”，其實(shí)現(xiàn)方法是編程確定其開關(guān)閾值和延遲屬性并監(jiān)測(cè)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(hù)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(hào)、多通道可編程器件已經(jīng)刺激計(jì)量應(yīng)用的功能、特性邁向一個(gè)新的臺(tái)階，成本也得到進(jìn)一步的降低。目前，相同的基礎(chǔ)芯片級(jí)架構(gòu)已準(zhǔn)備好為改進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化和控制創(chuàng)造全新的機(jī)會(huì)。