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近年来，市场上推出越来越多固定功能的电表应用的集成电路(IC)，若想在电表设计上有所突破但受限于现有IC的固定功能要有新的创意设计变得越来越困难。许多模拟前端部件(AFE)电能计量的IC都采用△-∑ADC，并透过ROM制程、固定功能的状态机(state machine)来计算功率输出。这些IC不能进行修改，也不能用于电源量测之外的其他功能。
诸如有效电力(active power)、视在功率(apparent power)和RMS电流与电压等数字计算模块的功能都是固定的，在一定的频率下运作，且具备固定的输出精确度。利用这些部件虽然可以完整发挥其固定功能，但在设计上却显得不够弹性。
过去，IC制造商通常仅提供ROM制程的电能计量IC，作为执行这些功能的开放原始码解决方案；现在，制造商则以△-∑可配置闪存设计的形式提供解决方案。本文介绍了一个完整的电表设计范例，使用大约7KB的程序空间来实现完整的三相电表IC。该设计由中断驱动(interrupt-driven)，仅使用50％的中断处理时间(系统的电源频率为60Hz，每个周期进行128次采样)。在130μs的间隔中，大约花费65μs的时间用于三相的计算，包括偏移(offset)、增益(gain)和相电压(phase)的校准，以及LSB的调整。高精度电表设计的功率输出缓存器(power-output register)最高需要48位的计算空间，而在低成本的8位微控制器(MCU)上较难实现。以闪存形式提供的方案较采用ROM制程的电表IC具备更高的弹性及优点，以下将详细介绍之。
ROM制程的电表设计首先需要倚赖外部内存进行电表校准，并通过智能设定自动加载state machine，成本较高且步骤较为繁琐。信号流程的第三个阶段必须将校准常数加载固定功能的电能计量IC中。透过结合ROM制程的模拟前端部件中的计算功能与闪存的核心微控制器，可以省去其中的一个步骤。将电表校准和常数加载包含在一个阶段中，有助于减少IC数量并降低系统成本。
电表精度取决于可靠的模拟性能
在决定采用何种设计之前，设计师必需先确定模拟设计的可靠性；系统的模拟和ADC性能最终会限制电表的整体精度。
设计趋势指向越来越小的分流电流(shunt)和信号(signal)，所以ADC噪声越低、分辨率更高的电能计量IC会更符合市场的需求。要开发符合IEC标准的电表(包括0.5和0.1等级电表)，可利用低噪声、可忽略的串扰噪声(negligible crosstalk)、具有优良线性表现的16位双信道ADC来着手设计。
Microchip Technology的MCP3909电能计量IC是一款△-∑部件，特别针对符合以上条件的电能计量应用而设计，配备弹性的数字模块和通讯路径；该fc搭载的两个16位模拟至数字转换器其信号杂音失真比(SINAD)为82 dB，支持远超出IEC要求的动态量测范围。该IC搭载的PGA(增益可达32 V/V)支持以下所示的信号大小和测量误差的精度；此外，该部件也协助设计人员控制ADC和乘法器输出(multiplier output)，以及滤波器输入(filter input)。
该部件可以与微控制器搭配使用，也可以独立为一个量测解决方案。在某些情况下，电表设计并不需要采用双芯片方案，只要保留电表IC中的功率计算功能就足够了。利用固定功能的DSP模块执行主动功率计算(active-power calculation)，并产生脉冲输出驱动机械式计数器(mechanical-counter)的方式广受业界欢迎；而这种脉冲输出计算模块更已成为业界标准，MCP3909 IC中正包含了这种模块。该款单芯片方案只需要单点校准(single-point calibration)，在独立式或使用微控制器的电表中皆可采用，其弹性协助电表制造商进行设备认证和测试。
合于规范且适用于多种电表设计的单一电表lc可协助电表设计人员、制造商及寻求最终解决方案的电力公司。MCP3909部件的弹性即可灵活应用在一系列广泛的电表设计中。
双功电能计量IC
这种设计概念让设计师能利用双功接脚(dual-functionality pin)直接连结△-∑ADC和乘法器输出，藉此为电能计量lc和闪存MCU之间的相互连结大大的提高设计上的弹性。透过直接量测电压、电流和功率ADC输出，可结合闪存MCU的处理能力，用来进行数字计算并扮演中央处理器的角色。设计范例：三相电表设计
图3显示了一个三相电表的设计范例，除了采用Microchip的MCP3909还有PIC18F系列高阶8位微控制器(MCP3909-3PH18F-RD1)。该范例结合可直接存取的△-∑电能计量IC与低成本的电表计算引擎，节省部件成本并简化电表校准的程序与设计。将缓存器、电源与电能缓存器(energy register)，以及RMS电流与电压缓存器配备在闪存MCU上，并利用一个串行接口存取所有的缓存器，就像过去在ROM制程的电表计量IC中所做的一样。
该设计的独特之处在于，进行电表校准之后，可用串行方式存取缓存器中的数据，这些数据报含以精确功率单位表示的数值。缓存器的十进制值表示功率值。对于功率(power)，可用的缓存器大小为48位；对于电能(energy)，可用的缓存器大小为64位。例如，名称以“w”结尾的缓存器对应于所测量的瓦特值。以“VA”结尾的缓存器包含特定相位的伏安值。以“I”表示所测量的RMS电流，“V”表示所测量的RMS电压。
LSB校正这一概念让设计师可以透过自动校准软件设定缓存器的分辨率。缓存器分别表示功率(千瓦)、电压(伏特)、电流(安培)和电能(千瓦时)的LSB量。假设一输出缓存器中的数值为1234时，表示1234W或1.234KW。当需要与其他量测系统、模块或输出显示器(例如LCD)连接时，更可简化电表韧体的设计。
小数点位置(即功率量的分辨率)由电表设计内的校准软件部分所输入的值来决定。在通过软件自动对电表进行校准的步骤中，将会计算出正确的LSB校正因子，以确保最低有效位代表特定量的最低有效数字。
例如，如果PHA_1_RMS缓存器(表示A相的RMS电流)中包含十进制值4523，而分辨率已根据电表设计软件设定为0.01，则该值确实代表45.23A。这些算法和自动执行算法的软件随电表参考设计一起提供，可从Microchip网站www.microchip.oom/meter免费下载。
软件中的电表设计允许用户输入确切的电表参数。对于任一的电表生产批次，可以在生产时进 行自定义，为RMS或主动功率计算增加ADC的余裕(headroom)。其他电表常量(例如空载临界值限制(no-load threshold limit))也可以在生产电表的同时透过软件／闪存的接口进行简单修改。
USB电表数据读取／校准
对于高阶电表设计，电表所需的校正因子不仅在生产时于电表外部计算，且还需链接软件和校准设备在校准期间进行计算。现在市面上的PC很少配备RS-232串行埠，而且RS-232每次仅与连接到总线上的一个设备进行通讯：然而在进行电表校准时，通常要同时控制10～50个电表的校准电压和电流，因此使用RS-232时，透过PC无法与多个电表进行通讯。由此可见，利用USB链接电表校准软件进行校准将更符合实际需求。
电表的USB监控与校准软件具有一些优于传统串行和平行软件解决方案的优点。这些优点包括更高的连接能力、更宽的通讯带宽、以及能为多个电表同时供电等。除此之外，利用USB还可以快速从多个电表收集数据。
图4所示的USB电表软件可从Microchip网站(www.microchip.com/meter)免费下载，并透过前面介绍的闪存PIC18F和MCP3909电能计量IC范例进行电表校准和数据读取。针对这两种方案，其软件接口均支持RS-232/485和USB。
该款开放源代码的USB软件具有许多优于现有解决方案的功能，包括能够储存和读取电表校准状态。闪存MCU中包含一些校准状态缓存器，软件透过这些缓存器来标记特定的功率量是否已校准。相位校准状态使用黄色图标标记，如图4所示。这种校准方式只适用于基于闪存的电表计算引擎，不适合在ROM制程的电表IC执行。此外，系统还会追踪标准相位，在校准期间进行相位之间的增益匹配(gain matching)。
为了预防电表遭篡改、以及电表设计的知识产权，采用该方案时还需考虑加强程序代码安全性和加密。针对特定客户的需求进行修改之后，若电表计算引擎中包含电表制造商希望保护的lP，则可透过以下方法来实现程序代码的安全性。
有一种安全性级别可以对内存算法进行锁定，禁止透过串行埠读取储存区的内容。另外也可对MCU内存的部份区域锁定读写功能，防止经由RS-485或USB存取锁定区域；例如保存校准和校正因子的那些区域。此外，标准的加密算法，例如高级加密标准(AES)和微型加密算法2(XTEA)也能保护代码安全。
安全的协作式公用仪表设计
保护协作式公用仪表系统设计中的知识财产权(IP)也是一个常见的挑战；因为对电表计算引擎进行客制化会在设计中产生额外的IP。在公用仪表中，仪表设计厂商、软件IP供货商，传感器模块和OEM厂商都拥有各自的IP，而最终的仪表设计中可能包含2～3个嵌入式微控制器，每个微控制器都具备不同的功能以及分属于不同公司的IP。使用包含许多IP的部件将增加终端用户和公用事业公司的成本。
可以将多个IP整合于单一部件中，同时独立对各个代码区域进行保护，并将解决方案整合到一个16位微控制器或数字信号控制器(DSC)中。这种在单一部件上整合IP的协作式方案可以保护各方的IP，并以较低的成本提供产品。
电表设计的新选择
今天，市面上众多的闪存MCU和模拟产品，为客户提供丰富的选择，并因此开发了许多电表设计的方法。近年来，出现了只有6个接脚的小尺寸闪存MCU，单价低于0.40美元，为低成本的单相电表校准提供了新的可能性。此外，采用模块化的AFE计算模块，还可以轻松开发更高阶的16位和32位电表；这些模块协同工作，实现简化的校准技术和更快速的电表开发。采用△-∑ADC技术、高精度、且充满弹性的AFE，配合闪存MCU的智慧，为创新的单相和三相电表设计开辟了新的途径。
诸如有效电力(active power)、视在功率(apparent power)和RMS电流与电压等数字计算模块的功能都是固定的，在一定的频率下运作，且具备固定的输出精确度。利用这些部件虽然可以完整发挥其固定功能，但在设计上却显得不够弹性。
过去，IC制造商通常仅提供ROM制程的电能计量IC，作为执行这些功能的开放原始码解决方案；现在，制造商则以△-∑可配置闪存设计的形式提供解决方案。本文介绍了一个完整的电表设计范例，使用大约7KB的程序空间来实现完整的三相电表IC。该设计由中断驱动(interrupt-driven)，仅使用50％的中断处理时间(系统的电源频率为60Hz，每个周期进行128次采样)。在130μs的间隔中，大约花费65μs的时间用于三相的计算，包括偏移(offset)、增益(gain)和相电压(phase)的校准，以及LSB的调整。高精度电表设计的功率输出缓存器(power-output register)最高需要48位的计算空间，而在低成本的8位微控制器(MCU)上较难实现。以闪存形式提供的方案较采用ROM制程的电表IC具备更高的弹性及优点，以下将详细介绍之。
ROM制程的电表设计首先需要倚赖外部内存进行电表校准，并通过智能设定自动加载state machine，成本较高且步骤较为繁琐。信号流程的第三个阶段必须将校准常数加载固定功能的电能计量IC中。透过结合ROM制程的模拟前端部件中的计算功能与闪存的核心微控制器，可以省去其中的一个步骤。将电表校准和常数加载包含在一个阶段中，有助于减少IC数量并降低系统成本。
电表精度取决于可靠的模拟性能
在决定采用何种设计之前，设计师必需先确定模拟设计的可靠性；系统的模拟和ADC性能最终会限制电表的整体精度。
设计趋势指向越来越小的分流电流(shunt)和信号(signal)，所以ADC噪声越低、分辨率更高的电能计量IC会更符合市场的需求。要开发符合IEC标准的电表(包括0.5和0.1等级电表)，可利用低噪声、可忽略的串扰噪声(negligible crosstalk)、具有优良线性表现的16位双信道ADC来着手设计。
Microchip Technology的MCP3909电能计量IC是一款△-∑部件，特别针对符合以上条件的电能计量应用而设计，配备弹性的数字模块和通讯路径；该fc搭载的两个16位模拟至数字转换器其信号杂音失真比(SINAD)为82 dB，支持远超出IEC要求的动态量测范围。该IC搭载的PGA(增益可达32 V/V)支持以下所示的信号大小和测量误差的精度；此外，该部件也协助设计人员控制ADC和乘法器输出(multiplier output)，以及滤波器输入(filter input)。
该部件可以与微控制器搭配使用，也可以独立为一个量测解决方案。在某些情况下，电表设计并不需要采用双芯片方案，只要保留电表IC中的功率计算功能就足够了。利用固定功能的DSP模块执行主动功率计算(active-power calculation)，并产生脉冲输出驱动机械式计数器(mechanical-counter)的方式广受业界欢迎；而这种脉冲输出计算模块更已成为业界标准，MCP3909 IC中正包含了这种模块。该款单芯片方案只需要单点校准(single-point calibration)，在独立式或使用微控制器的电表中皆可采用，其弹性协助电表制造商进行设备认证和测试。
合于规范且适用于多种电表设计的单一电表lc可协助电表设计人员、制造商及寻求最终解决方案的电力公司。MCP3909部件的弹性即可灵活应用在一系列广泛的电表设计中。
双功电能计量IC
这种设计概念让设计师能利用双功接脚(dual-functionality pin)直接连结△-∑ADC和乘法器输出，藉此为电能计量lc和闪存MCU之间的相互连结大大的提高设计上的弹性。透过直接量测电压、电流和功率ADC输出，可结合闪存MCU的处理能力，用来进行数字计算并扮演中央处理器的角色。设计范例：三相电表设计
图3显示了一个三相电表的设计范例，除了采用Microchip的MCP3909还有PIC18F系列高阶8位微控制器(MCP3909-3PH18F-RD1)。该范例结合可直接存取的△-∑电能计量IC与低成本的电表计算引擎，节省部件成本并简化电表校准的程序与设计。将缓存器、电源与电能缓存器(energy register)，以及RMS电流与电压缓存器配备在闪存MCU上，并利用一个串行接口存取所有的缓存器，就像过去在ROM制程的电表计量IC中所做的一样。
该设计的独特之处在于，进行电表校准之后，可用串行方式存取缓存器中的数据，这些数据报含以精确功率单位表示的数值。缓存器的十进制值表示功率值。对于功率(power)，可用的缓存器大小为48位；对于电能(energy)，可用的缓存器大小为64位。例如，名称以“w”结尾的缓存器对应于所测量的瓦特值。以“VA”结尾的缓存器包含特定相位的伏安值。以“I”表示所测量的RMS电流，“V”表示所测量的RMS电压。
LSB校正这一概念让设计师可以透过自动校准软件设定缓存器的分辨率。缓存器分别表示功率(千瓦)、电压(伏特)、电流(安培)和电能(千瓦时)的LSB量。假设一输出缓存器中的数值为1234时，表示1234W或1.234KW。当需要与其他量测系统、模块或输出显示器(例如LCD)连接时，更可简化电表韧体的设计。
小数点位置(即功率量的分辨率)由电表设计内的校准软件部分所输入的值来决定。在通过软件自动对电表进行校准的步骤中，将会计算出正确的LSB校正因子，以确保最低有效位代表特定量的最低有效数字。
例如，如果PHA_1_RMS缓存器(表示A相的RMS电流)中包含十进制值4523，而分辨率已根据电表设计软件设定为0.01，则该值确实代表45.23A。这些算法和自动执行算法的软件随电表参考设计一起提供，可从Microchip网站www.microchip.oom/meter免费下载。
软件中的电表设计允许用户输入确切的电表参数。对于任一的电表生产批次，可以在生产时进 行自定义，为RMS或主动功率计算增加ADC的余裕(headroom)。其他电表常量(例如空载临界值限制(no-load threshold limit))也可以在生产电表的同时透过软件／闪存的接口进行简单修改。
USB电表数据读取／校准
对于高阶电表设计，电表所需的校正因子不仅在生产时于电表外部计算，且还需链接软件和校准设备在校准期间进行计算。现在市面上的PC很少配备RS-232串行埠，而且RS-232每次仅与连接到总线上的一个设备进行通讯：然而在进行电表校准时，通常要同时控制10～50个电表的校准电压和电流，因此使用RS-232时，透过PC无法与多个电表进行通讯。由此可见，利用USB链接电表校准软件进行校准将更符合实际需求。
电表的USB监控与校准软件具有一些优于传统串行和平行软件解决方案的优点。这些优点包括更高的连接能力、更宽的通讯带宽、以及能为多个电表同时供电等。除此之外，利用USB还可以快速从多个电表收集数据。
图4所示的USB电表软件可从Microchip网站(www.microchip.com/meter)免费下载，并透过前面介绍的闪存PIC18F和MCP3909电能计量IC范例进行电表校准和数据读取。针对这两种方案，其软件接口均支持RS-232/485和USB。
该款开放源代码的USB软件具有许多优于现有解决方案的功能，包括能够储存和读取电表校准状态。闪存MCU中包含一些校准状态缓存器，软件透过这些缓存器来标记特定的功率量是否已校准。相位校准状态使用黄色图标标记，如图4所示。这种校准方式只适用于基于闪存的电表计算引擎，不适合在ROM制程的电表IC执行。此外，系统还会追踪标准相位，在校准期间进行相位之间的增益匹配(gain matching)。
为了预防电表遭篡改、以及电表设计的知识产权，采用该方案时还需考虑加强程序代码安全性和加密。针对特定客户的需求进行修改之后，若电表计算引擎中包含电表制造商希望保护的lP，则可透过以下方法来实现程序代码的安全性。
有一种安全性级别可以对内存算法进行锁定，禁止透过串行埠读取储存区的内容。另外也可对MCU内存的部份区域锁定读写功能，防止经由RS-485或USB存取锁定区域；例如保存校准和校正因子的那些区域。此外，标准的加密算法，例如高级加密标准(AES)和微型加密算法2(XTEA)也能保护代码安全。
安全的协作式公用仪表设计
保护协作式公用仪表系统设计中的知识财产权(IP)也是一个常见的挑战；因为对电表计算引擎进行客制化会在设计中产生额外的IP。在公用仪表中，仪表设计厂商、软件IP供货商，传感器模块和OEM厂商都拥有各自的IP，而最终的仪表设计中可能包含2～3个嵌入式微控制器，每个微控制器都具备不同的功能以及分属于不同公司的IP。使用包含许多IP的部件将增加终端用户和公用事业公司的成本。
可以将多个IP整合于单一部件中，同时独立对各个代码区域进行保护，并将解决方案整合到一个16位微控制器或数字信号控制器(DSC)中。这种在单一部件上整合IP的协作式方案可以保护各方的IP，并以较低的成本提供产品。
电表设计的新选择
今天，市面上众多的闪存MCU和模拟产品，为客户提供丰富的选择，并因此开发了许多电表设计的方法。近年来，出现了只有6个接脚的小尺寸闪存MCU，单价低于0.40美元，为低成本的单相电表校准提供了新的可能性。此外，采用模块化的AFE计算模块，还可以轻松开发更高阶的16位和32位电表；这些模块协同工作，实现简化的校准技术和更快速的电表开发。采用△-∑ADC技术、高精度、且充满弹性的AFE，配合闪存MCU的智慧，为创新的单相和三相电表设计开辟了新的途径。