突破嵌入式領(lǐng)域的智能計量技術(shù)

智能計量的主要驅動(dòng)力在于人類(lèi)對未來(lái)能源和環(huán)境狀況的擔憂(yōu)，對能源使用更智能的管理可減少浪費，緩解人類(lèi)活動(dòng)對環(huán)境的壓力。智能計量的主要功能除了對能源消耗的測量、控制和對系統的故障的診斷外，還強調了不同系統間的互聯(lián)互通，使嵌入式產(chǎn)品如MCU等，與無(wú)線(xiàn)技術(shù)緊密結合，是突破嵌入式技術(shù)的新興快速增長(cháng)領(lǐng)域。

MCU如何實(shí)現智能電網(wǎng)的智能性

飛思卡爾半導體（Freescale）是智能電表MCU產(chǎn)品的代表廠(chǎng)商之一，其于2010年初面向中國國家電網(wǎng)對智能電表的標準推出了MZ60系列MCU。隨后為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，飛思卡爾繼續擴大其新一代智能MCU陣容，推出定位全球計量市場(chǎng)的高度集成的單芯片方案，包括適用于單相電表和流量表應用的低功耗、經(jīng)濟高效的8位MC9S08GW6微控器，和面向計量應用的超低功耗LCD MCU—MC9S08LH64/36，同時(shí)大舉提高針對智能計量表市場(chǎng)的MCF51EM 32位ColdFire V1系列產(chǎn)量，為迅速開(kāi)發(fā)出符合不同要求的智能電表產(chǎn)品提供強大的專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持。

智能計量繼續表現出強勁的增長(cháng)態(tài)勢。智能電網(wǎng)的普及為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展機遇，智能電表受到產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)；但伴隨著(zhù)對電表功能和性能需求的提高，成本壓力也逐漸增大。飛思卡爾認為，智能電表對MCU的技術(shù)挑戰主要有以下幾點(diǎn)：系統成本、系統功耗、掉電和電表失效時(shí)的數據保存、防盜電、日趨復雜的電表設計對各種接口和通信模塊的需求、更加嚴格的EMC/EMI需求、與傳感器的接口、安全的現場(chǎng)升級能力等。另外從市場(chǎng)需求層面看，智能電表方案面臨的最大挑戰是成本，同時(shí)成本也是整個(gè)智能電網(wǎng)概念的最核心驅動(dòng)力，其牽動(dòng)了從電廠(chǎng)、傳輸，到最終端家庭用戶(hù)的所有環(huán)節，因此也牽動(dòng)了為這些環(huán)節提供方案的半導體廠(chǎng)商。

飛思卡爾工業(yè)和多元市場(chǎng)微控制器部亞太區市場(chǎng)經(jīng)理曾勁濤表示，智能電網(wǎng)需要以下幾個(gè)核心模塊來(lái)實(shí)現智能化：計量網(wǎng)關(guān)（Metering Gateway）、AMI（自動(dòng)計量基礎設施）、AMM（自動(dòng)計量管理模塊）和AMR（自動(dòng)讀表）。其中計量網(wǎng)關(guān)為用戶(hù)提供寬帶網(wǎng)絡(luò )支持；AMI是智能電網(wǎng)的主干，可實(shí)現雙向電網(wǎng)和資源的優(yōu)化；AMM主要負責數據管理和計費，保證功耗等信息的質(zhì)量；AMR則為關(guān)鍵環(huán)節提供支持，提供遠程讀表功能，可配置為內部或外部模塊（圖1）。

圖1，飛思卡爾的智能電網(wǎng)構想，其可為AMI、AMM、AMR提供產(chǎn)品和技術(shù)。

德州儀器（TI）近期也將目光瞄準成長(cháng)中的MCU市場(chǎng)。收購Luminary后，TI構建起完整的MCU產(chǎn)品陣營(yíng)。TI認為，隨著(zhù)汽車(chē)與工業(yè)電子等主力市場(chǎng)的逐漸回暖，消費電子、智能家居、移動(dòng)計算、智能電表以及醫療電子等新興應用市場(chǎng)迅猛發(fā)展，其在MCU領(lǐng)域基本形成了超低功耗MSP430（MCU）、基于 Cortex-M3的Stellaris 系列處理器及高性能 C2000實(shí)時(shí)控制器等幾大平臺，以低功耗、高通用性及高性能等不同特性，提供能滿(mǎn)足各種應用領(lǐng)域的MCU產(chǎn)品。

TI的16位MP430系列是TI廣泛用于智能電表的代表性MCU產(chǎn)品；其中MSP430FE42X系列將計量模塊直接嵌入在MSP430內部，組成集成計量芯片的單向電表MCU方案，使電表的設計難度和成本都得到降低。當然，MSP430FE42x并不是電能計量模塊與MSP430的簡(jiǎn)單結合，它還提供了對內部模塊的控制。如果用在單相電表的設計，設計者可以直接啟動(dòng)內部電能計量模塊ESP430；而對于其它需要16位A/D的產(chǎn)品時(shí)，則可以禁止ESP430模塊，直接對前置可變增益放大器和A/D轉換器控制，是其在產(chǎn)品設計中有很大的靈活性。

MSP430FE42x具有三個(gè)通道獨立的16位Sigma-Delta架構ADC，并非如通常單片機那樣采用模擬開(kāi)關(guān)切換分別進(jìn)行轉換的方法。此外，MSP430FE42x還內置16位計時(shí)器，LCD驅動(dòng)、14個(gè)I/O接腳、放盜電功能等。

DSP方案強調信號處理能力

除用于控制的MCU以外，具有強大信號處理能力的DSP也是智能電網(wǎng)的熱門(mén)產(chǎn)品，其中較有代表性的產(chǎn)品為ADI公司的Blackfin產(chǎn)品線(xiàn)。低成本Blackfin處理器具備處理儀表級原始實(shí)時(shí)用電數據以及實(shí)現儀表和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。由于供電公司智能電表的部署范圍不僅僅覆蓋本地電網(wǎng)，因此基于Blackfin的電表部件還能夠通過(guò)軟件輕松升級，以符合本地或國家特有的不同通信標準。

ADI認為，智能儀表技術(shù)的真正受惠者是環(huán)境。在實(shí)現實(shí)時(shí)智能抄表的技術(shù)以合理的價(jià)位出現之前，現有的信息是不充足的，無(wú)法發(fā)現或者糾正能量浪費行為。借助Blackfin的實(shí)時(shí)能量采集和通信能力，電力公司現在擁有了節約使用能量所需的信息，直接減少了環(huán)境中的碳排放。在本地和全國范圍的供電系統內增加使用智能電表是實(shí)現精確、可靠的電能管理的關(guān)鍵。電費單如果不僅包含每個(gè)月的電費信息，還能明確列出按日期時(shí)間以及按耗電的電器分類(lèi)所產(chǎn)生的電費和電能使用情況，將讓家庭更清晰地了解每月的耗電情況。更為理想的場(chǎng)景是，假定電力公司能夠借助采集的這些實(shí)時(shí)信息的能力，為那些將用電時(shí)間從用電高峰時(shí)段轉到非用電高峰時(shí)段的用戶(hù)提供大幅折扣，比如，在晚上九點(diǎn)而不是晚上六點(diǎn)半使用洗衣機的用戶(hù)回饋電能信用額度等。

ADI最新推出的Blackfin ADSP-BF592產(chǎn)品（詳細產(chǎn)品資訊，請見(jiàn)：超低成本DSP產(chǎn)品兼具數據處理與MCU功能）十分適用于智能電表等智能計量系統中。ADI公司處理器及DSP部門(mén)市場(chǎng)總監Colin Duggan在采訪(fǎng)中表示，智能計量是能源系統升級的核心部分，其帶來(lái)的收益主要有以下幾個(gè)方面：對環(huán)境的保護和某些能源依賴(lài)性的降低，以及對能源利用更高的效率。目前美國等地區利用無(wú)線(xiàn)射頻方式實(shí)現抄表是一個(gè)很好的方式，相關(guān)標準也在制定當中。各國智能電表方案差別很大，因此要考慮到區域性差異，除了支持無(wú)線(xiàn)抄表方式，還支持中國市場(chǎng)比較傾向的電力線(xiàn)PLC方式。其次，由于一塊智能電表的設計壽命可能達到10年~15年，這就要求除了硬件本身的高質(zhì)量、高可靠性，軟件升級功能也是必不可少的。最后，安全性是各國政府和電力機構十分擔心的問(wèn)題，電表的設計要能與中央監控室（Central Office）實(shí)現實(shí)時(shí)監控，還要對電表的存儲加以保護。

Colin Duggan談到，Blackfin ADSP-BF592的豐富接口可以使設計者更方便地將其連接到各種設備及主處理器中。值得指出的是，由于Blackfin產(chǎn)品結合了DSP和MCU的功能，設計者可以按需求決定是否需要主控制芯片（Host Processor）。例如在某些簡(jiǎn)單應用中甚至可以省去這部分成本而直接用一顆BF592同時(shí)實(shí)現信號處理和中央控制功能；而對于復雜系統或者有較大存儲空間的應用，則需要外接一顆主控制芯片?；?Blackfin 的智能電表不僅能夠滿(mǎn)足目前的設計要求，而且還為下一代能量管理技術(shù)、整合新型全異電網(wǎng)設備以及用戶(hù)可選的用電信用額度應用作好了準備。隨著(zhù)未來(lái)標準的發(fā)展，這些應用只需通過(guò)電網(wǎng)即可下載到基于 Blackfin 的儀表部件中，實(shí)現一種無(wú)縫傳輸。

早在BF592之前，Blackfin就已被西門(mén)子采用用于智能電表的設計。Colin Duggan介紹說(shuō)，西門(mén)子自動(dòng)抄表信息系統（AMIS）在其智能電表技術(shù)的核心利用ADI公司的Blackfin處理器。在A(yíng)MIS設計階段初期，西門(mén)子公司就認識到要實(shí)現這個(gè)目標，智能電表就需要以較低的單價(jià)提供非凡的表內處理能力、動(dòng)態(tài)和電網(wǎng)一體化通信以及真正的可擴展性。西門(mén)子公司選擇了 Blackfin匯聚式處理器，這是因為該處理器具備同時(shí)作為DSP和MCU進(jìn)行無(wú)縫工作的能力，特別適合西門(mén)子AMIS的高處理和動(dòng)態(tài)通信應用要求，并且實(shí)現了極具成本效益的計算性能，以及耗電信息統計的功能。這樣就同時(shí)給電力公司和用戶(hù)提供了管理電費的能力并可最終實(shí)現節約使用珍貴的電能資源。

Wi-Fi：早期參與 占據中國市場(chǎng)主動(dòng)

無(wú)線(xiàn)通信使智能計量和智能電網(wǎng)的概念進(jìn)一步延伸，并有望通過(guò)常用的技術(shù)擴展到智能家居。通信技術(shù)廠(chǎng)商博通（Broadcom）就是這一概念的倡導者，其提出了突破傳統嵌入式應用的“深入嵌入式技術(shù)”，主張將基于Wi-Fi技術(shù)廣泛用于現有的嵌入式產(chǎn)品中，例如家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與智能計量手段的結合。

博通公司表示，由于Wi-Fi在家用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的高普及率，利用Wi-Fi作為智能計量的一部分具有很大的優(yōu)勢。拿電表舉例。目前智能電網(wǎng)后端（Backhaul）的抄表方案主要分為無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種，前者利用紅外和ZigBee技術(shù)；后者利用電力線(xiàn)載波（PLC）。在抄表環(huán)節的前一個(gè)環(huán)節，則可利用Wi-Fi技術(shù)來(lái)收集家用電器的耗電數據（圖2）。

圖2，基于博通Wi-Fi“深入嵌入式應用”的智能計量方案。

電力載波信號容易受到干擾，不夠穩定。紅外容易被障礙物阻擋，功耗也較高，是單向傳輸的。而ZigBee RF可在三五十米之內傳輸，可穿越障礙物，其功耗低并且支持雙向傳輸（可調整電價(jià)）。

博通公司資深副總裁兼無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )事業(yè)部總經(jīng)理Michael Hurlston認為，目前美國市場(chǎng)以ZigBee作為主要的信息收集手段并不是因為ZigBee比Wi-Fi更加先進(jìn)或適用，而是在美國智能計量市場(chǎng)需要一種無(wú)線(xiàn)通信標準作為支撐時(shí)，Wi-Fi沒(méi)有及時(shí)提供相應的標準來(lái)實(shí)現這一功能。因此，美國市場(chǎng)對這一標準的選擇實(shí)際與技術(shù)無(wú)關(guān)，而是Wi-Fi沒(méi)有對智能電網(wǎng)投入應有的注意力造成的，因此也導致Wi-Fi喪失了美國智能電網(wǎng)市場(chǎng)。所以，博通把目光轉向中國市場(chǎng)。“目前中國正處于智能電網(wǎng)建設的早期階段，各種技術(shù)標準的選取尚未定型，早期的參與會(huì )使Wi-Fi占據更主動(dòng)的地位。”

Michael Hurlston還表示，除“先入為主”的市場(chǎng)選擇，即使不考慮其它因素，Wi-Fi在技術(shù)上也更優(yōu)于ZigBee。他說(shuō)，Wi-Fi廣泛用于家用電器。電視、PC等耗電設備由于已經(jīng)或即將具備Wi-Fi功能，功耗數據可無(wú)障礙地實(shí)現共享，對于空調、冰箱、洗衣機等家電設備就需要一顆特殊的芯片，即集成了 Wi-Fi軟件棧集的芯片。這種芯片的難度和成本都很低，可以輕易地普及到普通家電產(chǎn)品中。

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