Atmel M90E36A 能量計(jì)量芯片：高精度與靈活性的完美融合

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的能量計(jì)量芯片對(duì)于設(shè)計(jì)出高效、準(zhǔn)確的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。Atmel M90E36A 能量計(jì)量芯片以其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

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一、芯片概述

M90E36A 是一款多相高性能寬動(dòng)態(tài)范圍計(jì)量 IC，專為三相四線（3P4W, Y0）或三相三線（3P3W, Y 或 Δ）系統(tǒng)中的 0.2S、0.5S 和 1 級(jí)多相電表設(shè)計(jì)。它集成了 7 個(gè)獨(dú)立的二階 sigma - delta ADC，可用于典型三相四線系統(tǒng)中的三個(gè)電壓通道（A、B、C 相）和四個(gè)電流通道（A、B、C 相和中性線）。同時(shí)，芯片內(nèi)置 DSP，能夠?qū)?ADC 信號(hào)和片上參考電壓進(jìn)行計(jì)算，得出有功、無(wú)功、視在能量以及基波和諧波有功能量等參數(shù)。

二、主要特性

（一）計(jì)量特性

1. 高精度計(jì)量：在 6000:1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功能量精度可達(dá) ±0.1%，無(wú)功能量精度可達(dá) ±0.2%。片上參考電壓的溫度系數(shù)典型值為 6 ppm/℃，確保了在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定計(jì)量。
2. 單校準(zhǔn)點(diǎn)：各相有功能量在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)只需單點(diǎn)校準(zhǔn)，無(wú)功/視在能量無(wú)需校準(zhǔn)，大大簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)過(guò)程。
3. 多參數(shù)測(cè)量：能夠精確測(cè)量 Vrms、Irms、平均有功/無(wú)功/視在功率、頻率、功率因數(shù)和相角等電氣參數(shù)，基準(zhǔn)誤差小于 ±0.5%。
4. 獨(dú)立能量寄存器：提供有功（正向/反向）、無(wú)功（正向/反向）、視在能量的獨(dú)立能量寄存器，并且可以通過(guò)脈沖輸出或能量寄存器讀取能量值，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
5. 可編程閾值：可編程啟動(dòng)和無(wú)負(fù)載功率閾值，特殊設(shè)計(jì)的啟動(dòng)和無(wú)負(fù)載電路可消除各相之間的串?dāng)_，在低功率條件下也能實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)量。
6. 專用 ADC 和增益：為 A、B、C 相和中性線電流采樣電路配備專用 ADC 和不同增益，電流可通過(guò)電流互感器（CT）或羅氏線圈（di/dt 線圈）采樣，A、B、C 相電壓可通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)或電壓互感器（PT）采樣。
7. 可編程功率模式：支持正常模式（N 模式）、空閑模式（I 模式）、檢測(cè)模式（D 模式）和部分測(cè)量模式（M 模式），可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活選擇。
8. 諧波分析：具備基波（CF3，0.2%）和諧波（CF4，1%）有功能量的專用能量和功率寄存器，以及 2 - 32 次諧波分量的總諧波失真（THD）和離散傅里葉變換（DFT）功能，THD 和 DFT 結(jié)果可在 SPI 可訪問(wèn)寄存器中獲取。
9. 事件檢測(cè)：能夠檢測(cè)電壓驟降、缺相、反向電壓/電流相序、反向流動(dòng)、計(jì)算的中性線電流 (I{NC}) 過(guò)流、采樣的中性線電流 (I{NS}) 過(guò)流以及 THD + N 超閾值等事件。

（二）其他特性

1. 單電源供電：采用 3.3V 單電源供電，工作電壓范圍為 2.8V - 3.6V，在 3.0V - 3.6V 范圍內(nèi)可保證計(jì)量精度。
2. SPI 接口：提供四線 SPI 接口，并支持直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）模式，可流式輸出 7 通道 ADC 原始數(shù)據(jù)。
3. 參數(shù)診斷和中斷輸出：具備參數(shù)診斷功能，可編程 IRQ 中斷信號(hào)和 WarnOut 信號(hào)的輸出。
4. 可編程電壓驟降檢測(cè)和過(guò)零輸出：可根據(jù)需求設(shè)置電壓驟降檢測(cè)閾值和過(guò)零輸出。
5. 脈沖輸出：CF1、CF2、CF3、CF4 分別輸出有功/無(wú)功/視在能量脈沖和基波/諧波能量脈沖。
6. 晶體振蕩器：晶體振蕩器頻率為 16.384 MHz，片上集成兩個(gè)電容，無(wú)需外部電容。
7. 封裝和溫度范圍：采用 TQFP48 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ - +85℃。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 多相電表：適用于 0.2S、0.5S 和 1 級(jí)多相電表，可用于三相四線或三相三線系統(tǒng)。
2. 數(shù)據(jù)采集終端：能夠?yàn)閿?shù)據(jù)采集終端提供準(zhǔn)確的電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數(shù)測(cè)量。
3. 電力監(jiān)測(cè)儀器：滿足需要測(cè)量電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數(shù)的電力監(jiān)測(cè)儀器的需求。

四、功能詳解

（一）電源供應(yīng)

M90E36A 采用 3.3V 單電源供電，片上電壓調(diào)節(jié)器可將電壓調(diào)節(jié)為 1.8V 供數(shù)字邏輯使用。在空閑和檢測(cè)模式下，1.8V 電源調(diào)節(jié)器不開(kāi)啟，數(shù)字邏輯不供電，但檢測(cè)模式相關(guān)寄存器（10H - 13H）的值會(huì)保留。從空閑或檢測(cè)模式轉(zhuǎn)換到部分測(cè)量模式或正常模式時(shí)，用戶需要重新配置寄存器。

（二）時(shí)鐘

芯片內(nèi)置振蕩器，可直接連接外部晶體，OSCI 引腳也可由時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)。在空閑和檢測(cè)功率模式下，振蕩器將斷電。

（三）復(fù)位

M90E36A 有三種復(fù)位源：RESET 引腳、片上上電復(fù)位電路和軟件復(fù)位寄存器。三種復(fù)位源的復(fù)位范圍相同，除諧波比率寄存器外，所有數(shù)字邏輯和寄存器都會(huì)被復(fù)位。

（四）計(jì)量功能

1. 能量寄存器原理：能量積累以 1 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行，通過(guò)對(duì) DSP 處理器計(jì)算的功率值進(jìn)行累加。積累的能量用于計(jì)算 CF 脈沖和相應(yīng)的內(nèi)部能量寄存器，內(nèi)部能量分辨率為 0.01 CF。
2. 能量寄存器：可計(jì)量未分解的總有功、無(wú)功和視在能量，以及分解后的有功基波和諧波能量。各相和全相和分別有相應(yīng)的寄存器，共 21 個(gè)常規(guī)能量寄存器和 16 個(gè)基波/諧波能量寄存器。
3. 能量脈沖輸出：CF1 固定為總有功能量輸出（全相和），CF2 默認(rèn)為無(wú)功能量輸出（全相和），也可配置為算術(shù)和視在能量輸出或向量和視在能量輸出，CF3 為有功基波能量輸出（全相和），CF4 為有功諧波能量輸出（全相和）。
4. 啟動(dòng)和無(wú)負(fù)載功率：設(shè)有啟動(dòng)功率閾值寄存器和無(wú)負(fù)載電流閾值寄存器，當(dāng)相應(yīng)的全相和功率大于啟動(dòng)閾值時(shí)開(kāi)始計(jì)量，功率值低于啟動(dòng)閾值時(shí)不積累能量，處于無(wú)負(fù)載狀態(tài)。

（五）測(cè)量功能

測(cè)量參數(shù)包括有功/無(wú)功/視在功率、基波/諧波功率、電壓和電流 RMS、功率因數(shù)、相角、頻率和溫度。除溫度外，測(cè)量參數(shù)是在 16 個(gè)相電壓周期（50Hz 時(shí)約 320ms）內(nèi)的平均值，測(cè)量參數(shù)更新頻率約為 3Hz。

（六）傅里葉分析功能

芯片提供硬件 DFT 引擎，可對(duì) 2 - 32 次諧波分量進(jìn)行分析，每個(gè)相的電壓和電流在同一時(shí)間段內(nèi)處理。DFT 周期為 0.5 秒，分辨率頻率為 2Hz，輸入樣本在送入 DFT 處理器前會(huì)乘以漢寧窗。

（七）功率模式

M90E36A 有四種功率模式，由 PM1 和 PM0 引腳定義：

1. 正常模式（N 模式）：除電流檢測(cè)器塊外，所有功能塊均處于活動(dòng)狀態(tài)。
2. 空閑模式（I 模式）：所有功能關(guān)閉，模擬塊電源供電但電路進(jìn)入掉電模式，數(shù)字 I/O 供電，輸入信號(hào)設(shè)置為已知狀態(tài)。
3. 檢測(cè)模式（D 模式）：電流檢測(cè)器處于活動(dòng)狀態(tài)，比較各相電流是否超過(guò)配置的閾值。當(dāng)一相或多相電流超過(guò)閾值時(shí)，IRQ0 引腳置高；三相電流均超過(guò)閾值時(shí)，IRQ1 引腳置高。
4. 部分測(cè)量模式（M 模式）：電壓 ADC、中性線 ADC 和數(shù)字電路不活動(dòng)，測(cè)量一周期的電流 RMS，測(cè)量完成后 IRQ0 引腳置高。

（八）事件檢測(cè)

1. 過(guò)零檢測(cè)：檢測(cè)各相電壓和電流基波分量的過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零信號(hào)可獨(dú)立配置和輸出。
2. 電壓驟降檢測(cè)：通常將驟降閾值設(shè)置為參考電壓的 78%，當(dāng)連續(xù)兩個(gè) 11ms 時(shí)間窗口內(nèi)小于三個(gè) 8KHz 樣本（絕對(duì)值）大于驟降閾值時(shí)，產(chǎn)生驟降事件。
3. 缺相檢測(cè)：檢測(cè)是否有一相或多相電壓小于缺相閾值電壓，處理方式與驟降檢測(cè)類似。
4. 中性線過(guò)流檢測(cè)：分別對(duì)采樣的中性線電流和計(jì)算的中性線電流 RMS 進(jìn)行閾值檢查，超過(guò)閾值時(shí)相應(yīng)狀態(tài)位設(shè)置，并可根據(jù)使能位產(chǎn)生 IRQ。
5. 相序錯(cuò)誤檢測(cè)：根據(jù) 3P4W 和 3P3W 兩種情況檢測(cè)相序，違反標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為相序錯(cuò)誤。

（九）SPI / DMA 接口

接口可工作在從模式（SPI）和主模式（DMA），由 DMA_CTRL 引腳決定。從模式下為正常四線 SPI 接口，主模式下作為主設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到其他設(shè)備。

五、校準(zhǔn)方法

（一）正常模式操作校準(zhǔn)

1. 寄存器配置：通過(guò)向 ConfigStart 寄存器寫入 5678H 開(kāi)始配置系統(tǒng)配置寄存器，芯片自動(dòng)將配置寄存器重置為默認(rèn)值，然后編寫所有系統(tǒng)配置寄存器，計(jì)算并寫入校驗(yàn)和到 CS0 寄存器，最后向 ConfigStart 寄存器寫入 8765H 啟用校驗(yàn)和檢查。
2. 測(cè)量校準(zhǔn)：在 (I = 0)、(U = 0) 時(shí)配置計(jì)算通道增益，讀取 Irms/Urms 值，計(jì)算補(bǔ)償值并寫入偏移寄存器；在 (U = U_n) 時(shí)再次讀取 Irms/Urms 值，計(jì)算補(bǔ)償值并寫入增益寄存器。
3. 計(jì)量校準(zhǔn)：先校準(zhǔn)功率/能量偏移，在 (I = 0) 時(shí)讀取有功和無(wú)功功率，計(jì)算補(bǔ)償值并寫入偏移寄存器；然后在功率因數(shù)為 1.0 時(shí)校準(zhǔn)能量增益，將 CF1 連接到校準(zhǔn)臺(tái)，根據(jù)校準(zhǔn)臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算能量增益并寫入能量增益寄存器；最后在功率因數(shù)為 0.5 感性時(shí)校準(zhǔn)相角補(bǔ)償，將 CF1 連接到校準(zhǔn)臺(tái)，根據(jù)校準(zhǔn)臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算相角并寫入相角寄存器。

（二）部分測(cè)量模式校準(zhǔn)

1. 將輸入電流設(shè)置為零，測(cè)量電流平均值，將結(jié)果寄存器（PMIrmsA/PMIrmsB/PMIrmsC）讀數(shù)取反后寫入偏移寄存器。
2. 部分測(cè)量結(jié)果輸出 = ADC 輸入電壓 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
3. 用戶需要進(jìn)行自己的轉(zhuǎn)換以獲得有意義的結(jié)果，軟件中的縮放因子可根據(jù)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。

六、寄存器詳解

芯片擁有眾多寄存器，包括狀態(tài)和特殊寄存器、低功耗模式寄存器、配置和校準(zhǔn)寄存器、能量寄存器、測(cè)量寄存器和諧波傅里葉分析寄存器等。每個(gè)寄存器都有其特定的功能和用途，工程師可以根據(jù)需要進(jìn)行配置和讀取。

七、電氣規(guī)格

M90E36A 在電氣性能方面表現(xiàn)出色，具有良好的電源抑制比、高精度的計(jì)量和測(cè)量精度、合適的工作電流和接口時(shí)序等。同時(shí)，芯片還具備一定的靜電放電（ESD）和閂鎖保護(hù)能力。

綜上所述，Atmel M90E36A 能量計(jì)量芯片以其高精度、高靈活性和豐富的功能，為電子工程師在電力監(jiān)測(cè)和計(jì)量領(lǐng)域提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求合理配置芯片的功能和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效果。你在使用這款芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。