IDT90E46：带RTC的宽量程单相计量SOC开发必读
idt推出全球最先进单相电能计量soc：单相电能表soc idt90e46 是一款基于idt 成熟的电能计量技术（afe）和arm 高效低功耗32 位 cortex m0 mcu，配备128kb flash，6kb ram，同时集成了单相智能电能表必须的带温度补偿功能的高精度rtc，带高精度内置参考电压源的12 位a/d等常用外设于一身的系统级芯片，它可以大大减少单相智能电能表的元器件数量和整体布版面积，简化单相智能电能表的设计和生产。idt 特有的a/d 和dsp 技术确保了产品在电网和环境变化的场合也能保持长期稳定性。本文主要介绍idt90e46的性能、内部功能设计及应用。
1.idt90e46：带温补高精度rtc的宽量程单相计量soc概述
idt90e46性能介绍
计量特性
内置计量模块的计量特性完全符合中国国家标准gb/ t17215.211-2006（iec62052-11）、gb/t17215.321-2008（iec62053-21） 和 gb/t17215.323-2008（iec62053-23）的要求，芯片可应用于 1 级或 2 级单相有功电能表和2 级单相无功电能表；
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% ；
片内基准电压源的温度系数典型值为 6ppm/°c；
l 线和 n 线电流采样回路采用独立的模数转换器，并具有不同的增益。电流采样回路可以选用锰铜或者电流传感器（ct） ，电压采样回路可以采用电阻分压网络或者电压传感器（pt） ；
正向/ 反向有功/ 无功电能具有独立的能量寄存器和能量输出引脚；
在整个动态范围内只需要单点校准；
电参数测量：电压/ 电流有效值，平均有功/ 无功/视在功率，频率，功率因数和相角的引用误差均低于±0.5% ；
l 线和 n 线的测量模式可以设定；
启动和潜动功率阈值可以设定；
防窃电模式下，l 线和 n 线功率比较阈值可以设定；
可以用于 50hz 和 60hz 供电网络；
mcu 特性
32 位arm cortex m0 内核，6k byte ram，128k byte可编程flash，最高主频16mhz ；
4 路独立uart 接口， 其中uart0 提供 ir 调制功能，uart3支持硬件iso7816 协议；
1 个独立的看门狗（wdt）定时器，复位时间可以设定，最长4 秒。软件开启后，不能关闭；
2 路独立的 25 位 pwm 输出，可以分别用于控制继电器和蜂鸣器；
1 路 14 位 低功耗pwm 输出；
2 个带 8 位预分频器的8 位定时器；
提供多达 45 个通用io ；
4 个外部中断输入，可以用来唤醒芯片；
2 路 12 位 a/d，内置高精度参考电压源；
1 路 低功耗电压比较器；
提供 4 种工作模式：普通模式，空闲模式，待机模式和lcd 显示模式。提供掉电和上电监测电路 。
实时时钟和温度传感器
在工业级温度范围内（-40 °c ~ 85 °c），内置温度传感器精度：±1 °c；
日历寄存器（ 年、月、日、时、分、秒等） 以 bcd 格式提供，带闰年功能；
1 个带中断功能的可编程报警信号；
硬件频率补偿功能。补偿范围：-3900ppm 到3900ppm，补偿精度是 ±0.12ppm ；
32768hz 时钟信号和修正后的 1hz 脉冲信号可以通过i/o 输出；
2 个独立的 16 位定时器，可对秒脉冲进行计数；
1 个专用 32 位秒信号计数器，可用于时间计量。
其它特性
内置4com×34seg / 6com×32seg 或者 8com×30seg lcd 驱动器，支持1/3 偏压，内置偏置电压生成电路；
外部只需配置 32.768 khz 晶体即可工作，内置pll 电路；
3.3v 单一供电：mcu 工作电压范围：2.5v ~ 3.6v ；保证计量精度的电压范围：3.0v ~ 3.6v ；
工作温度范围：-40 °c ~ +85 °c；
tqfp100 绿色封装；
idt带温补高精度rtc的宽量程单相计量soc设计方案
图1 应用方案示意图
应用
90e46 可以用于单相 2 线制，单相 3 线制和防窃电有功/ 无功智能电能表；
同时集成通用 a/d，功率测量，丰富的串行口，实时时钟（rtc）和 lcd 驱动器，90e46 也可以用于需要电气参数测量，实时时钟 （rtc），通讯接口和 lcd显示的电力仪表设备。
2.基于idt90e46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
微盟线上线下的SaaS生态体系搭建逐渐成型
受疫情影响 苹果将关闭英国所有剩余门店
ARROW 360智能手表上架众筹 专为户外运动爱好者设计
应用可靠性与性能不给力？HarmonyOS HiViewDFX了解一下
ADI公司再次荣登福布斯2020年全球最佳雇主榜单
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区块链的改版将可能让医疗行业受益匪浅
充电桩生产企业排名
飞诺门阵亮相雁栖湖论坛，持续推进信创行业生态建设
成像光谱仪是一款具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器
医用眼科前房高精度侵入式压力传感器电路设计方案
曝游戏用的安培GPU使用的竟还是三星10nm工艺 预期进一步降低
想知道奥迪在干什么？OLED技术智能尾灯告诉你
至少三次服务中端！谷歌全球范围内多个服务瘫痪
三星宣布将在今年切换到基于先进的EUV工艺的5nm芯片
断路器跳闸的原因有哪些
石墨烯龙头四维图新爆发,三高一低的AI细分领域龙头
电气维修方法论第二十四篇(繁难故障维修的范畴)
联想NAS设备存在严重的固件级漏洞，如何获得安全的数据环境
ToF 3D传感方案争奇斗艳，系统厂商如何选？
1.idt90e46：带温补高精度rtc的宽量程单相计量soc概述
idt90e46性能介绍
计量特性
内置计量模块的计量特性完全符合中国国家标准gb/ t17215.211-2006（iec62052-11）、gb/t17215.321-2008（iec62053-21） 和 gb/t17215.323-2008（iec62053-23）的要求，芯片可应用于 1 级或 2 级单相有功电能表和2 级单相无功电能表；
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% ；
片内基准电压源的温度系数典型值为 6ppm/°c；
l 线和 n 线电流采样回路采用独立的模数转换器，并具有不同的增益。电流采样回路可以选用锰铜或者电流传感器（ct） ，电压采样回路可以采用电阻分压网络或者电压传感器（pt） ；
正向/ 反向有功/ 无功电能具有独立的能量寄存器和能量输出引脚；
在整个动态范围内只需要单点校准；
电参数测量：电压/ 电流有效值，平均有功/ 无功/视在功率，频率，功率因数和相角的引用误差均低于±0.5% ；
l 线和 n 线的测量模式可以设定；
启动和潜动功率阈值可以设定；
防窃电模式下，l 线和 n 线功率比较阈值可以设定；
可以用于 50hz 和 60hz 供电网络；
mcu 特性
32 位arm cortex m0 内核，6k byte ram，128k byte可编程flash，最高主频16mhz ；
4 路独立uart 接口， 其中uart0 提供 ir 调制功能，uart3支持硬件iso7816 协议；
1 个独立的看门狗（wdt）定时器，复位时间可以设定，最长4 秒。软件开启后，不能关闭；
2 路独立的 25 位 pwm 输出，可以分别用于控制继电器和蜂鸣器；
1 路 14 位 低功耗pwm 输出；
2 个带 8 位预分频器的8 位定时器；
提供多达 45 个通用io ；
4 个外部中断输入，可以用来唤醒芯片；
2 路 12 位 a/d，内置高精度参考电压源；
1 路 低功耗电压比较器；
提供 4 种工作模式：普通模式，空闲模式，待机模式和lcd 显示模式。提供掉电和上电监测电路 。
实时时钟和温度传感器
在工业级温度范围内（-40 °c ~ 85 °c），内置温度传感器精度：±1 °c；
日历寄存器（ 年、月、日、时、分、秒等） 以 bcd 格式提供，带闰年功能；
1 个带中断功能的可编程报警信号；
硬件频率补偿功能。补偿范围：-3900ppm 到3900ppm，补偿精度是 ±0.12ppm ；
32768hz 时钟信号和修正后的 1hz 脉冲信号可以通过i/o 输出；
2 个独立的 16 位定时器，可对秒脉冲进行计数；
1 个专用 32 位秒信号计数器，可用于时间计量。
其它特性
内置4com×34seg / 6com×32seg 或者 8com×30seg lcd 驱动器，支持1/3 偏压，内置偏置电压生成电路；
外部只需配置 32.768 khz 晶体即可工作，内置pll 电路；
3.3v 单一供电：mcu 工作电压范围：2.5v ~ 3.6v ；保证计量精度的电压范围：3.0v ~ 3.6v ；
工作温度范围：-40 °c ~ +85 °c；
tqfp100 绿色封装；
idt带温补高精度rtc的宽量程单相计量soc设计方案
图1 应用方案示意图
应用
90e46 可以用于单相 2 线制，单相 3 线制和防窃电有功/ 无功智能电能表；
同时集成通用 a/d，功率测量，丰富的串行口，实时时钟（rtc）和 lcd 驱动器，90e46 也可以用于需要电气参数测量，实时时钟 （rtc），通讯接口和 lcd显示的电力仪表设备。
2.基于idt90e46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
微盟线上线下的SaaS生态体系搭建逐渐成型
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