导言
比方智能插头和电器电度表等辅佐计量 (sub-metering) 运用使顾客可以了解和操控其电能运用情况。其他的辅佐计量运用(如服务器功率表)则可协助 IT 部分优化服务器群的功耗。在规划辅佐计量表时，像传感器、模仿前端 (AFE) 组件和微操控器 (MCU) 的挑选之类的考虑要素关于决议整体体系本钱与复杂性有着无足轻重的影响。作为一款有用的施行方案，其应易于规划并具有低量产本钱，一起满意运用的首要需求 – 可靠地丈量和陈述电能耗费信息。本文将评论 MSP430AFE2xx IC1 在能耗丈量运用中的特性与优势。尽管 MSP430AFE2xx 彻底合适公用事业级电力表中的能耗丈量，不过本文将专门评论其在辅佐计量中的运用。在本文中，辅佐计量指的是非公用事业型的电能计量运用，例如：智能插头、电器电度表和服务器功率表。
辅佐计量表的功用
辅佐计量表的方式可所以智能插头(见图 1)，也可以集成在电器设备(见图 2)或服务器中。不管是哪一种方式，辅佐计量表一般履行的是下列功用：
· 丈量某种电器设备的实时能耗。
· 将能耗数据传送给用户。这可以运用辅佐计量表本身上的一个简略的 LCD 读出器完结。或许，辅佐计量表也可以以无线或有线通讯的办法将数据传送到一个长途终端，前者选用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技能，而后者则运用串行端口或电力线通讯 (PLC) 技能。
· 辅佐计量表可以挑选具有对输送至电器设备的功率施行调理的才能。例如：在尖峰负荷时刻关断电器设备或从某个长途方位进行操控。
用于能耗丈量的组件
能耗丈量体系需求运用电压和电流传感器、一个用于衔接这些传感器的 AFE 和一个担任完结能耗丈量核算的 MCU。能耗丈量成果可显现在 LCD 屏之上，或经过串行总线发送至其他设备以进行无线通讯，如下一页上的图 2 所示。
图 1：MSP430™ 动力看门狗 (Energy Watchdog)2 智能插头参阅规划
图 2：能耗丈量体系方框图
功率是瞬时电压与电流的乘积。如下面的公式所示，有功用耗为功率的时刻积分，以千瓦-小时 (kWh) 为单位来表明。
式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。
能耗丈量的第一步是别离选用电压和电流传感器来丈量输入电压和负载电流。
挑选电压和电流传感器
在辅佐计量表中，可以选用简略的电阻分压器作为电压传感器。应挑选正确的电阻值以对沟通电源电压(一般为 230 VAC 或 120 VAC)进行分压，然后合适模数转换器 (ADC) 的输入规模。图 3 中所示的电阻分压器电路可用于将 230 VAC 的沟通电源电压分压至大约 350 mV RMS(其峰值为 495 mV)，然后再馈送至 ADC 的正输入3。电阻器具有最大额定电压，假设超越此电压就会在电阻器本体上引起电弧。假如选用串联的分立电阻器(R1、R2 的 R3)代替单个 1MΩ 电阻器，则答应运用规范电阻器，而不会超越其最大额定电压。
图 3：MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC 的电压检测电路
电压传感器的另一种代替挑选是电压变换器，其可供给与高电压沟通电源的阻隔。不过，与分立式电阻器比较，电压变换器较为贵重。
电流传感器的挑选取决于家用电器所运用的输入沟通电源的类型。在美国，比方冰箱和洗衣机等家用电器依托单相 120 VAC 电源运作，而大功率电器(比方：干衣机和伙食电炉等)则选用分相 240 VAC 电源作业。关于单相运用，可以在中性线中布设一个低阻值的分路电阻器(图 4)，并可丈量分路两头的电压降以核算电流。分路电阻器的阻值由负载电流的规模、ADC 的增益设定值和传感器上的功率耗散决议。分路电阻器的特点是本钱低价且简略易用，但其并未供给电阻隔。关于比方干衣机和伙食炉具等运用分相电源的电器而言，在两条载电线上均有必要选用电流变换器。电流变换器可供给电阻隔，但本钱要比分路电阻器高。
图 4：MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC 的电流检测电路
坐落检测级之后的是无源接口电路，担任在输入信号馈入 ADC 之前对其做进一步的调理。该电路包含一个滤波器，用于消除有或许导致不精确丈量的寄生宽带噪声。关于单相家用电器(如冰箱)，需求两个 ADC：一个用于丈量电压，另一个用于丈量电流。而关于干衣机和伙食炉具，则需求 4 个 ADC，用于丈量两个电压和两个电流。可选用具有 16 位或 24 位分辨率及一起采样才能的 ADC 来生成精确的能耗丈量成果。
能耗丈量及陈述
能耗丈量核算运用由 ADC 搜集的电压和电流样原本完结。由下式可见，为了核算有功用耗 (active energy)、无功用耗 (reactive energy) 或表观能耗 (apparent energy)，MCU 有必要具有针对比方平方根、平方和除法等常用函数的优秀数学库。
式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。
一旦核算出能耗丈量成果，即可运用辅佐计量表本身或一个长途终端上的 LCD进行显现。MCU 可经过串行通讯接口与 LCD 驱动器或无线通讯模块相连。假使选用的是分路电阻器和分压器之类的非阻隔传感器，抑或 AFE 和 MCU 以馈电线电压为基准，则应对衔接至其他选用不同基准电压的器材或体系的一切线路进行阻隔，这一点至关紧要。可选用光耦合器或电容性阻隔 IC 来完结这种阻隔。
运用低功率组件的能耗丈量体系可选用简略的电容式电源供电。但是，电容式电源不能供给用于驱动 RF 收发器的满足电流。选用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技能传送能耗数据的辅佐计量表将需求一个额定的 NPN 输出缓冲器或变压器以及开关式电源，用于为 RF 收发器供电。
校准
因为组件和传感器容差的原因，计量表之间或许存在能耗丈量值的差异。公用事业公司供给的电表有着严厉的精度要求，而且在每个电表上都有必要对因为组件容差形成的差错加以校准。但是，比方智能插头和电器电度表等辅佐计量表的精度要求往往比较宽松，因为它们的丈量成果并不用于收费意图。规划的校准常数可在开发期间确认并写入 MCU 闪存之中，因而不用在生产过程中逐一单元进行校准。估计选用这种办法可完结 <3% 的精确度。该精确度在许多辅佐计量表运用中均可满意要求，而且校准的革除还能在生产中节约很多的本钱。
MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC
MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC 在单个封装中集成了多个 24 位 Σ-Δ ADC、可编程增益放大器和一个 16 位 MCU。该器材配套供给了用于履行能耗丈量核算使命的 TI MSP430™ MCU Energy Library4 软件。
图 5：面向能耗丈量运用的 MSP430AFE2xx 的特性
当把 MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC 运用于辅佐计量表时，开发人员将会体验到以下的首要特性与优势：
高集成度
MSP430AFE2xx 集成了多种能耗丈量所需的组件，包含 ADC 和 MCU。这使得低本钱和小占板面积辅佐计量表规划可以选用很少的组件。除了能耗丈量之外，MSP430AFE2xx 还可依据需求用于运转其他的小运用程序。
多个 24 位 Σ-Δ ADC
内置的三个 ADC 皆可支撑 ±500 mV 的差分输入电压，因而来自电流传感器的输出无需电平移位即可直接馈送至 ADC。别的，ADC 输入还支撑高达 -1 V 的负输入电压，所以相同答应来自 AC 馈电线的分压电压信号直接衔接至 ADC，而不用进行额定的电平移位。
MSP430AFE2xx 供给了多达 3 个具有 24 位分辨率的 Σ-Δ ADC。这些 ADC 能在很宽的负载电流规模内供给公用事业级 (< 0.1%) 的精确度。ADC 的一起采样特性消除了电流和电压样本之间的固有推迟，而且不再需求进行软件校对，这在次序采样法中是一反惯例的。
低功耗
MSP430AFE2xx 能耗丈量 IC 具有低功耗特性，这一点关于具有依托低本钱电容式电源给器材供电的才能十分重要。
软件可编程性
TI 供给的 MSP430™ MCU 动力库 (Energy Library) 和代码典范有助轻松方便地完结依据 MSP430AFE2xx 的能耗丈量核算。
比方 MSP430AFE2xx 等软件可编程解决方案的一项要害优势是其为体系规划人员供给了依据特定的运用要求对解决方案做适应性调整的灵活性。例如：体系规划人员可履行一种非规范的通讯协议，以将能耗数据发送到主处理器或长途终端。软件可编程能耗丈量 IC 的另一项优势是可在生产过程革除校准作业。
串行通讯接口和 GPIO
MSP430AFE2xx 答应经过规范的串行接口(如 SPI 或 UART)传送能耗数据。其别的的 GPIO 可用完结 LCD 接口、LED 脉冲产生或许与比方按键等输入相衔接。
总结
要在智能插头、电器设备和服务器中广泛推行运用能耗丈量，可完结能耗丈量的低本钱组件起着重要的效果。MSP430AFE2xx 能耗丈量 %&&&&&% 将能耗丈量所需的首要组件集成在了单个封装之中。这些组件包含可编程增益放大器、ADC、MCU 以及担任与其他器材进行通讯的串行接口。MSP430AFE2xx 只需戋戋几个无源组件便可与比方分路电阻器和分压器等低本钱传感器相连。MSP430 系列微操控器的低功耗功能答应选用低本钱的%&&&&&%式电源为 MSP430AFE2xx 供电。因为这款解决方案可选用软件进行编程，因而供给了履行非规范通讯协议的灵活性。最终，一旦在开发过程中完结了校准，则可在生产期间将相同的校准常数写入每个 MSP430AFE2xx 单元，以轻松完结 3% 或更好的精确度。因为在生产过程中革除了校准，故而有望明显下降生产本钱。
