基于90E46的单相智能电表设计方案
智能电能表作为智能电网的重要组成部分，其技术标准也在不断地发展之中，使得相应的芯片技术也在日益提高。以市场需求量最大的单相智能电能表为例，其技术发展主要表现在以下几个方面：
计量准确度要求越来越高，电流范围越来越宽，从之前的5（20）a到现在的5（60）a，再到1（100）a，早期的计量芯片已无法满足当前电能表设计的要求，高精度、宽量程的计量芯片被广泛应用。
数据和事件处理要求越来越多，使得mcu的运算能力和程序容量不断提高，传统的8-bit mcu会逐渐被32-bit mcu所取代。
智能电能表作为智能电网的最终节点，其数据通信要求越来越强，对外的通信方式有rs485、plc、红外，并且要求各通信接口相互独立并能同时运行；这要求用于电能表设计的mcu具有丰富的硬件通信接口。
idt的90e46就是顺应智能电能表的这种发展趋势，在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块，arm 32位 cortex m0 高性能低功耗mcu内核，lcd驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（rtc）于一体真正意义上的系统级芯片（soc）。在计量动态范围5000:1 内，有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%，且只需要单点校准；实时时钟误差小于±0.5秒/天。
90e46芯片与硬件设计
90e46芯片简介
90e46是业界集成度最高的高精度宽量程单相电能计量soc，在idt既有的宽量程计量模拟前端（afe）的基础上，集成了arm cortex-m0微处理器、lcd驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（rtc），可以减少单相电能表的元器件数量，简化设计和生产流程，降低材料成本和库存管理难度。
90e46具有下列特性：
32位 arm cortex m0 内核，6kb ram， 128kb flash；
4路独立uart，uart0支持红外调制（ir），uart3支持硬件iso7816协议；
集成硬件看门狗（wdt），支持中断功能；
2路25位通用pwm；
1路14位低功耗pwm，用于红外唤醒；
2路16位定时器
最多45个gpios，23个支持5v输入；
4个外部中断输入，可用于系统唤醒；
2路12位gpadc，集成高精度参考电压源和阈值比较电路；
1路低功耗电压比较器，用于芯片掉电检测；
芯片支持运行模式、睡眠模式、待机模式和lcd显示模式；
内置pll电路，外部只需32.768khz晶体即可工作；
符合iec和ansic标准要求；可用于单相1级、2级有功电能表和2级无功电能表；
在计量动态范围5000:1内有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%；
片内参考电压源的温度系数典型值 6 ppm/ ℃；
电参数测量：电压/电流有效值、平均功率、频率、功率因数和相角的引用误差低于0.5%；
在整个动态范围内只需要单点校准，可用于50hz 和 60hz电网；
片内温度传感器在-40 ℃~ +85 ℃范围内准确度±1 ℃；
片内硬件rtc带频率补偿功能。补偿范围：-3900ppm 到3900ppm，补偿精度±0.12ppm；
内置4com×34seg / 6com×32seg / 8com×30seg lcd驱动器，含偏置电压生成电路；
工作温度：-40℃~+85℃；
tqfp100 绿色封装。
90e46的功能框图如图1所示：
图1 90e46功能框图
硬件设计
90e46采用了高集成度的芯片设计技术，外部只需要少量器件就可以实现最小系统功能。整个mcu小系统如图2所示：
图2 90e46 小系统电路
宽量程电能表的校准和软件设计
测量/计量校准
采用90e46设计的单相电能表，只需要在ib电流点进行单点校准，即可保证5000:1动态范围内的计量准确度。对于1（100）a的电能表，可以在5a（或10a）电流下进行校表，同样可以满足整个电流范围内的计量准确度。整个校表流程如图3所示：
图3 90e46 校表流程
温度传感器
90e46内部集成的温度传感器准确度为±1℃，基于该温度传感器，可对rtc和参考电压进行温度补偿，达到更好的计量性能和rtc准确度。
芯片内部有专门的温度传感器adc采样模块，该模块可以设置成周期性自动执行的方式，并且可以设定adc采样数据的上下限阀值和唤醒。这个功能使得低功耗状态下的rtc温度补偿特别方便。mcu在进入低功耗状态前，只要先设置好温度自动采样周期（如20s）和上下限阀值。进入低功耗状态后，芯片会自动进行周期性温度采样，当adc采样值超出上下阀值的范围时，会唤醒mcu，由mcu对rtc进行温度补偿修正。
实时时钟（rtc）外置晶振的温度补偿
系统外接单一32768hz晶体作为系统时钟源，这也作为rtc的时钟源。石英晶体振荡器的振荡频率对外部温度非常敏感，环境温度的上升或者下降都会引起中心频率的漂移，从而造成rtc计时的偏差。为了弥补这种误差，系统需要实时监测晶体周围环境温度，然后根据晶体的频率温度特性对32768hz晶体的频率进行动态的补偿，以确保补偿后的频率在整个工作温度范围内稳定不变。
实时时钟（rtc）的整个补偿过程包括：晶体周围环境温度的采集，和历史温度的比较，晶体误差的计算，补偿等几个过程。为了最大限度降低系统功耗，上述 rtc温度补偿过程中的大部分环节都可以通过90e46内部相应的硬件电路来实现，不需要cpu的干预。完整的rtc温度补偿流程如图4所示：
图4 rtc温度补偿流程
小结
90e46将计量模拟前端（afe）、微处理器（mcu）、实时时钟（rtc）和lcd驱动集成到单一芯片中，是真正意义上的单相智能电能表soc芯片。采用90e46设计的电能表，其外围器件和电路都变得简单明了。采用90e46可实现1（100）a的单相电能表设计，从而让电能表生产厂家采用同一设计涵盖不同量程的电能表需求，减少产品开发投入，降低元器件和库存管理成本。
附录：产品参数与测试数据
宽量程电能表产品参数
电能表的基本参数为：
参比电压：ac 220v
电流规格：1（100） a
参比频率：50hz
仪表常数：3200imp/kwh， 3200imp/kvarh
计量动态范围测试结果
经过测试，在20ma~100a的电流范围内，整表的有功电能计量误差优于±0.2%，无功电能计量误差优于±0.4%，可完全满足1级表的设计要求。图5和图6分别是在pf是1.0和0.5l的情况下有功电能的计量误差：
图5 pf=1.0时有功电能计量误差测试数据
图6 pf=0.5l时有功电能计量误差测试数据
实时时钟测试结果
经测试，电能表的实时时钟在常温下的准确度小于±5ppm，误差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的温度范围内，时钟误差小于±10ppm。图7是在 -40℃~85℃温度范围内的实时时钟准确度测试结果：
图7 rtc 1hz 输出在-40℃~85℃温度范围内测试结果
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没有数据采集，工业互联网将是无源之水
台积电22日决定将斥资约 把南京厂建置28纳米制程
首批配备Exynos 1080 SoC的智能手机
基于arduino的dht11温湿度传感器的使用
基于90E46的单相智能电表设计方案
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一块好的PCB版是怎样练成的？
72V 固定比例 DC/DC 控制器无需功率电感器，在非隔离式中间总线转换器应用中提供超过 500W 功率
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用于数字控制电流的固态两线调光开关
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计量准确度要求越来越高，电流范围越来越宽，从之前的5（20）a到现在的5（60）a，再到1（100）a，早期的计量芯片已无法满足当前电能表设计的要求，高精度、宽量程的计量芯片被广泛应用。
数据和事件处理要求越来越多，使得mcu的运算能力和程序容量不断提高，传统的8-bit mcu会逐渐被32-bit mcu所取代。
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idt的90e46就是顺应智能电能表的这种发展趋势，在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块，arm 32位 cortex m0 高性能低功耗mcu内核，lcd驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（rtc）于一体真正意义上的系统级芯片（soc）。在计量动态范围5000:1 内，有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%，且只需要单点校准；实时时钟误差小于±0.5秒/天。
90e46芯片与硬件设计
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90e46是业界集成度最高的高精度宽量程单相电能计量soc，在idt既有的宽量程计量模拟前端（afe）的基础上，集成了arm cortex-m0微处理器、lcd驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟（rtc），可以减少单相电能表的元器件数量，简化设计和生产流程，降低材料成本和库存管理难度。
90e46具有下列特性：
32位 arm cortex m0 内核，6kb ram， 128kb flash；
4路独立uart，uart0支持红外调制（ir），uart3支持硬件iso7816协议；
集成硬件看门狗（wdt），支持中断功能；
2路25位通用pwm；
1路14位低功耗pwm，用于红外唤醒；
2路16位定时器
最多45个gpios，23个支持5v输入；
4个外部中断输入，可用于系统唤醒；
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1路低功耗电压比较器，用于芯片掉电检测；
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内置pll电路，外部只需32.768khz晶体即可工作；
符合iec和ansic标准要求；可用于单相1级、2级有功电能表和2级无功电能表；
在计量动态范围5000:1内有功电能准确度优于 0.1%，无功电能准确度优于0.2%；
片内参考电压源的温度系数典型值 6 ppm/ ℃；
电参数测量：电压/电流有效值、平均功率、频率、功率因数和相角的引用误差低于0.5%；
在整个动态范围内只需要单点校准，可用于50hz 和 60hz电网；
片内温度传感器在-40 ℃~ +85 ℃范围内准确度±1 ℃；
片内硬件rtc带频率补偿功能。补偿范围：-3900ppm 到3900ppm，补偿精度±0.12ppm；
内置4com×34seg / 6com×32seg / 8com×30seg lcd驱动器，含偏置电压生成电路；
工作温度：-40℃~+85℃；
tqfp100 绿色封装。
90e46的功能框图如图1所示：
图1 90e46功能框图
硬件设计
90e46采用了高集成度的芯片设计技术，外部只需要少量器件就可以实现最小系统功能。整个mcu小系统如图2所示：
图2 90e46 小系统电路
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测量/计量校准
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图3 90e46 校表流程
温度传感器
90e46内部集成的温度传感器准确度为±1℃，基于该温度传感器，可对rtc和参考电压进行温度补偿，达到更好的计量性能和rtc准确度。
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图4 rtc温度补偿流程
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图5 pf=1.0时有功电能计量误差测试数据
图6 pf=0.5l时有功电能计量误差测试数据
实时时钟测试结果
经测试，电能表的实时时钟在常温下的准确度小于±5ppm，误差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的温度范围内，时钟误差小于±10ppm。图7是在 -40℃~85℃温度范围内的实时时钟准确度测试结果：
图7 rtc 1hz 输出在-40℃~85℃温度范围内测试结果
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