善用8位元微控制器　功率測量計實作快速上手

電子式功率測量計優點多

電子式功率測量計的精確度較佳，動態範圍亦較廣。電子機械式功率計的標準動態範圍為1:80，精確度為兩個百分點，而現今的靜態功率計的功率測量動態範圍約為1:1,000、精確度為一個百分點。假設主電壓穩定，則功率計的動態範圍可由電流測量的動態範圍來決定。

此外，電子機械式功率計只會記錄和顯示活動中的能源值，但電子式功率計還可測量並顯示額外的資訊，如活動中功率、電壓、電流RMS、尖峰值、線頻、功率因子或溫度。這些數值事後可由電子式介面讀出，如RS232、RS485、MBUS或紅外線傳輸(IrDA)。

靜態功率計還提供更好的安全性。由於今日的用電費持續攀升，篡改度量值的問題也日益猖獗。電子式功率計可以感應到電流、部分接地或外蓋被移除等直接變動。

功率損耗也是設計測量計時的一大問題。目前所使用的數百萬顆功率計本身就已消耗可觀的電力，因此測量計本身的功率損耗必須加以嚴格限制。電流感應器和測量電子的整體漏失必須限制在2瓦(W)和10伏特安培(VA)。靜態單相功率計必須遵循EN62056和EN50470規範。靜態電子式功率測量計的活動中功率特殊需求(Class Indexes A/B/C)均已明述在EN50470-3中。該項法規說明對於電壓、電流線路、自身功率損耗及各種精確度測試的需求，以及雜訊、溫度、過壓或低壓、過量電流或共振造成的影響。而EN62056標準定義局部資料交換，以及如何在本地埠上運用COSEM(光學或電流單相功率測量計基本需求)。

如今的功率計設計需要以下幾種特性，所有的需求必須符合EN50470-3法規。

如上述，以下設計顯示的是可直接測量的靜態單相功率計--並聯式。其測量區段由數個區塊構成。精確測量最重要的區塊就是類比數位轉換器及電壓參考點。精確的時間基礎也同樣重要，因為能源會隨時間累積成功率，而測量值必須即時計算出來，以便切換費率。

介面部分則包括一組驅動螢幕的液晶顯示器(LCD)介面、一個按鈕用來手動讀取資料。為了自動化讀取資料，功率計使用紅外線介面(EN62056-21)、光電耦合式(Optoisolated)RS232和能源脈衝輸出。此外，還需要部分中斷輸入以便感應篡改行為。

以上所繪的功率測量計參考設計(圖1)係使用飛思卡爾(Freescale)8位元MC9S08LH64微控制器，極適於單相功率計這樣的測量應用。

圖1　功率測量計參考設計

類比數位轉換器ENOB須達14.5

以單相電氣測量計應用來說，建議使用具備14.5有效位元數(ENOB)精確度的類比數位轉換器。14.5有效位元數是否能配合1：320在百分之一的精確度需求？Class B允許在區間有百分之1.5的誤差，因此可根據公式1來計算：

MC9S08LH64微控制器提供一組具備14.5有效位元數的類比數位轉換器，足供既定的電流動態範圍使用。如在計算演算法中進行平均，則能源計算精確度還可繼續提升。此外，測量電流時應採用差分輸入，以便達到最佳的無雜訊訊號，同時讓動態範圍加倍。在測量電壓的路徑上並無嚴格要求，因為主電壓會變化最大達目標230(120)伏特的正負20%。

如果微控制器只擁有一組具備多工器(MUX)的類比數位轉換器，則該微控制器必須在電壓和電流輸入間切換類比數位轉換器。MC9S08LH64微控制器提供乒乓模式的硬體觸發，它會在正確的時間作取樣，並透過硬體切換兩種輸入。一旦轉換結束，隨後便會發出中斷。乒乓模式十分適於功率計應用，因為它會縮短取樣所需的中央處理器(CPU)時間。電壓與電流訊號間的相位移則可透過電壓與電流取樣間的時間延遲作補償。而類比數位轉換器支援硬體平均達三十二次取樣。

使用內部電壓參考

16位元電磁波能量吸收比值(SAR)類比數位轉換器可使用內部電壓參考。飛思卡爾的9S08LH64電壓參考是以補償式頻帶間隔二極體為基礎，具備1.2伏特@40ppm/℃特性。參考值可由8位元暫存器以0.5毫伏特(mV)的區隔作修整。舉例來說，參考電壓的微調可用來當作整體測量對溫度的誤差補償。其中的訣竅是，內部頻帶間隔二極體可用來測量溫度。

石英參考點搭配CPU匯流排時脈

32.768Hz的石英參考點可用來搭配精準的中央處理器匯流排時脈和即時時脈訊號源。石英頻率會在FLL模組上倍乘，以便得出19.922MHz的匯流排時脈，並利用中央處理器的計算能力。

當日時刻(TOD)模組會嵌入在9S08LH64中，與石英分開運作。即使微控制器處於停止模式，並可在既定時間喚醒微控制器，TOD模組仍繼續運行。此一功能的好處就是可以在軟體中創造出即刻和日曆的時間。

功率損耗影響電池容量

停止模式時的功率損耗會直接影響所需的電池容量，因此功率損耗較大但具備多種低功率模式的微控制器最為划算。時脈分布模組會為所有的周邊分別提供時脈，因此可以節省電池用量。

在這個參考設計裡，微控制器核心在最低功率模式下(RAM、Register、I/O腳位狀態不變)會拉出大約700nA@3V。此外，還需要另一個電流來驅動石英低功率振盪器和TOD模組，以便保持即時時脈(RTC)及KBI模組，防止篡改。也就是說，倚靠電池運作的功率計整體功率損耗大約1.5微安培(μA)。

嵌入在微控制器裡的LCD驅動，其功率損耗應該相當低，這樣即使在停止模式時也可以顯示數值。將所有區段以最低功率損耗推至啟動模式(ON-mode)，僅需額外的2微安培。

此外，MC9S08LH64上的LCD模組提供六十四個LCD接腳，加上可選擇的前方面板/背板組態(多達六十三個前方面板和八個背板)。可設定的LCD電源供應切換，讓MC9S08LH64成為電池驅動應用的理想解決方案。

採用雙陣列快閃記憶體

另一項讓零件物料清單成本(BOM)低廉的特色就是雙重陣列快閃記憶體。整個HCS08飛思卡爾系列都提供可在執行時寫入/抹除快閃記憶體的可能性。雙重陣列快閃記憶體可以在一個快閃陣列中執行程式碼、同時寫入/抹除第二個陣列。所有的校正資料、參數、計數或篡改事件都可以儲存在快閃而非外部電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPROM)。MC9S08LH64可以在所有的溫度範圍內透過低至1.8伏特的供應電壓操作，如此可簡化電池的選擇。

計算測量值

測量軟體會處理電壓和電流取樣，並計算出所有的測量值，如活動功率P、活動能量W、有效電壓Urms和有效電流Irms。電壓與電流取樣值在特定時間內的乘積，可得出活動功率(W)，如公式2。

將活動功率在一定時間內累積，即可導出活動能量(公式3)。

在設計裡，電壓和電流都會依6.4k次/秒的頻率取樣。主頻率為50Hz，可得出大約每個主週期內取樣一百二十八次。在圖2中，可以看到簡化的計算資料流，以及個別步驟列舉如下：

圖2　計算資料流

1. 每個類比數位轉換器轉換完整中斷(1/6,400秒)，都會處理電壓u(n)和電流i(u)取樣

2. 以簡單的IIR過濾器移除測量電壓的的直流偏差。

3. 將過濾的電壓取樣和電流取樣做乘積(功率)並累計一百二十八次。過濾電壓取樣平方並也須累計一百二十八次。

4. 每20毫秒(大約一個主週期)，功率P要根據增益校正係數Pgain重新計算。

5. 結果的Pc除以時間(60分×60秒=3,600)會再加入整體活動能量計算。

6. Pc會傳給輸出能源脈衝產生器。主週期中最後的演算是將Pc加總。測量值會每秒更新在螢幕上。

7. Urms是計算為u”平方根再乘以增益校正常數。活動功率則是在1秒內積分的結果，然後再更新為顯示值，並用來計算電流。整體活動能源計數值則會更新以便顯示。所有曾提過的顯示值都會每秒更新。

提供理想功能組合　維持低零件物料成本

飛思卡爾8位元MC9S08LH64提供理想的功能組合和周邊，以便建立一個富於智慧且精確的單相式相位調變(PM)設計，同時保持低成本的零件物料成本。以一組效能傑出的測量鏈--16位元SAR類比數位轉換器、加上精確的可調式電壓參考和硬體觸發，就可以建構出一組A-類功率計，並具備合理的電流動態範圍。以大約20MHz匯流排時脈運作的8位元中央處理器就足以處理6.4k取樣率，並處理所有必須的功率計功能。雙重陣列快閃則適於儲存校正值和篡改事件以及計數資料，毋須仰賴外部電子式可清除程式化唯讀記憶體。LCD模組則可驅動多達二百八十八個區段，對於此類應用綽綽有餘。

整體設計的功率損耗十分重要，因為它會直接影響所需的電池容量。功率計汲取大約1.5微安培以保持即時、感應篡改及按鈕運作。LCD螢幕會汲取額外2微安培，這樣即使以電池運作時也能顯示數值。MC9S08LH64同時提供許多通訊周邊，以滿足所有的設計需求如SPI、IIC、UART。

(本文作者任職於飛思卡爾)