智能計量的設計方案

企業(yè)和工程師要設計出符合不斷眼睛的全球標準的智能計量解決方案，并使之成為大眾解決方案（即低成本方案）的一部分并非易事，還面臨著(zhù)許多挑戰。

很多時(shí)候，開(kāi)發(fā)計量芯片的設計人員甚至沒(méi)有意識到計量解決方案所面對的挑戰和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現設計問(wèn)題，使產(chǎn)品因為小的設計缺陷而無(wú)法用于最終解決方案。

本文將介紹計量SoC設計中的一些主要問(wèn)題，并提出一些能夠實(shí)現預期目標的解決方案。同時(shí)，本文還使SoC設計人員能夠提前了解挑戰，從而能夠從容應對并設計出有效的解決方案。

挑戰1：精確度

精確度是計量應用獲得成功的關(guān)鍵，因為服務(wù)提供商絕不會(huì )采用無(wú)法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來(lái)說(shuō)尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴(lài)模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會(huì )增加最終解決方案的價(jià)格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應氣體流的速度。

這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數字接口，因此整體精度對SoC的依賴(lài)性較低，更多地依賴(lài)于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個(gè)方面：輸電線(xiàn)如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線(xiàn)圈等)以及片上AFE(模擬前端)對電壓和電流的測量精度。

因此，對于燃氣/水流量表來(lái)說(shuō)，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對于電表，精度取決于兩個(gè)因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個(gè)進(jìn)行討論。

模擬前端(AFE)從客戶(hù)的角度來(lái)說(shuō)，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結果決定SoC的可擴展性。

模擬系統的精度主要取決于A(yíng)DC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過(guò)采樣技術(shù)對輸入進(jìn)行采樣，并執行轉換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應用。

然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環(huán)境中使用。因此，根據ADC的性能和用例環(huán)境，可以在A(yíng)DC輸入端使用低通濾波器過(guò)濾噪聲。同時(shí)，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩定時(shí)間-穩定ADC以給出準確轉換值所需的時(shí)間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會(huì )導致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時(shí)鐘，從而縮短穩定時(shí)間。因此，這會(huì )提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負載線(xiàn)接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執行多次乘法和加法運算。確定輸入負載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。

家庭/工業(yè)/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個(gè)比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進(jìn)行測量。

電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當的計算。這種“電流測量”過(guò)程的一個(gè)限制是需要有能夠直接測量電流的低成本ADC。

另一種選擇是使用已知的負載電阻將該電流轉換成相應的電壓，然后通過(guò)ADC測量該電壓，它對應于實(shí)際的電流消耗。這為電流測量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術(shù)可用于電流測量。一些使用最廣泛的技術(shù)包括-分流電阻器、Rogowski線(xiàn)圈、電流互感器。

分流電阻器技術(shù)使用放置在負載電流線(xiàn)路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過(guò)該電阻時(shí)，會(huì )形成一個(gè)小的電壓降。這個(gè)電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應的電流消耗。

電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負載電流(已消耗電流)磁通在二級CT線(xiàn)圈中生成少量電流，然后將電流通過(guò)負載電阻器，將其轉換成相應的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

Rogowski線(xiàn)圈是另一種測量電流的方法(見(jiàn)圖1)。這類(lèi)線(xiàn)圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時(shí)間差分形式提供輸出。這就是需要一個(gè)積分器獲得相應電流值的原因。

圖1：Rogowski線(xiàn)圈結構。

對比上述三種方式，分流電阻器技術(shù)是最便宜的；然而，該技術(shù)很難滿(mǎn)足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問(wèn)題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術(shù)測量更多的電流，然而，它們本身也存在問(wèn)題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問(wèn)題。

第三種Rogowski線(xiàn)圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現出較好的線(xiàn)性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問(wèn)題。

然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點(diǎn)?？紤]到電流變化和消耗類(lèi)型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費/住宅應用，Rogowski線(xiàn)圈在工業(yè)應用中的使用更廣泛。

挑戰2：電流消耗

SoC的電流消耗是影響應用/解決方案的電池壽命的主要因素。因此，在電池供電模式下運行的應用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃氣計/流量計不與電源直接連接。

因此，它們只能由電池進(jìn)行供電。因此，與電表相比，這些應用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因為計量表的平均使用壽命約為15年，客戶(hù)當然不希望每隔幾年就更換電池。

因此，與電表相比，燃氣/流量計應用對這些限制更加敏感。在典型燃氣/流量計解決方案中，儀表大多數時(shí)間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數值，并可能重置脈沖計數器等。

另外，燃氣/水/熱量的消耗模式不同于電能，因為它們不像電那樣無(wú)時(shí)無(wú)刻不在使用。因此，內核不必總是處于通電狀態(tài)。“低功率模式電流”將扮演重要的角色。許多公司認為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機電流)。

另一個(gè)關(guān)注領(lǐng)域是SoC的啟動(dòng)時(shí)間及相關(guān)的電流消耗。由于應用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)電流將非常關(guān)鍵。因此，此類(lèi)SoC中使用的內核比處理速度等其它因素更加重要。

挑戰3：安全、防護和檢測

安全性、篡改保護和檢測性能主要取決于最終應用的復雜性。滿(mǎn)足這項要求可以很簡(jiǎn)單，只需要能夠檢測到是否有人試圖打開(kāi)儀表蓋，或是否非法訪(fǎng)問(wèn)SoC并更改計費軟件。

但是，也可能會(huì )非常復雜，要讓連接以太網(wǎng)的儀表能夠防止黑客攻擊或保護儀表中的用戶(hù)數據，這是GPRS/CDMA/ZigBee網(wǎng)絡(luò )解決方案的一部分。這些要求存在很大的差異，因為計量能夠或應該能夠支持不同類(lèi)型的解決方案。

對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò )的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動(dòng)進(jìn)行的，對安全性、防護和檢測的要求會(huì )很低，因為攻擊單個(gè)儀表不會(huì )影響其它儀表。因此，服務(wù)提供商可能會(huì )選擇前面提到的比較簡(jiǎn)單的檢測方案。

在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個(gè)電流路徑便可以檢測儀表蓋是否被打開(kāi)。只要有人試圖打開(kāi)儀表，該電流會(huì )被中斷，對于篡改電表的操作也是如此。

使用密碼保護SoC內部寄存器可以防止有人未經(jīng)授權對SoC進(jìn)行重新編程。除非有正確的密碼，否則無(wú)法重新編程，任何此類(lèi)失敗的嘗試都會(huì )顯示為篡改企圖。

對于基于網(wǎng)絡(luò )的解決方案，僅僅通過(guò)檢測或簡(jiǎn)單的密碼保護不能解決安全問(wèn)題。需要更加嚴格的保護，因為儀表是網(wǎng)絡(luò )的一部分，如果一個(gè)節點(diǎn)(儀表)受到黑客攻擊，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò )都會(huì )暴露給黑客攻擊。

在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個(gè)層又進(jìn)一步劃分為多個(gè)層。為了解決這些問(wèn)題，行業(yè)制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN14908等許多協(xié)議。

計量革命的興起很大程度上取決于智能電表所支持的通信模式的發(fā)展。這類(lèi)通信對安全性提出了很高的要求。因為在所有通信模式當中，這類(lèi)通信模式會(huì )使儀表/儀表網(wǎng)絡(luò )最容易遭受黑客攻擊。

以基于智能卡的預付費計量為例。這種解決方案使用SPI(串行外設接口)在智能卡和儀表MCU之間傳輸數據。智能卡將數額存儲在其內部存儲器中，插入儀表后，儀表會(huì )根據消耗量不斷扣除數額。

簡(jiǎn)單的攻擊行為可能是對智能卡進(jìn)行重新編程或復制。在這種情況下，防止此類(lèi)篡改的一種方法是對存儲在智能卡里的數據(如真實(shí)性數據和數額)進(jìn)行加密。儀表首先解密這些數據，然后再進(jìn)行處理。

在智能卡上寫(xiě)回數據時(shí)，會(huì )遵循同樣的加密流程。這樣，只要加密算法和加密密鑰沒(méi)有被暴露，儀表就會(huì )受到保護。事實(shí)上，無(wú)論采用哪種通信方式，幾乎所有的計量解決方案都使用加密功能，以保證安全性不會(huì )受到損害。

加密的類(lèi)型和復雜性主要取決于所使用的通信協(xié)議類(lèi)型。GPS/GPRS/CDMA、以太網(wǎng)等通信協(xié)議需要更加復雜的加密。因此，還采用了特殊硬件以降低軟件依賴(lài)性，同時(shí)，通過(guò)減少內核開(kāi)銷(xiāo)增強了芯片性能。

挑戰4：即時(shí)軟件更新

由于更換儀表涉及高昂費用，因此服務(wù)提供商希望儀表的使用時(shí)間能夠超過(guò)十年，甚至多達15年。因此，設計人員在設計SoC時(shí)應該使其硬件能夠滿(mǎn)足未來(lái)需求，如：收費方案變更、分時(shí)段計量、夏令時(shí)變更等，而不必更換儀表，也不會(huì )中斷為消費者提供的服務(wù)。

這向設計人員提出了兩個(gè)挑戰：一個(gè)挑戰是SoC如何在儀表工作時(shí)進(jìn)行軟件升級，第二個(gè)挑戰是無(wú)縫切換到新固件，同時(shí)這種變化不會(huì )導致服務(wù)中斷。

第一步是確保在不需要切斷電源或關(guān)掉儀表的情況下將補丁從外部源轉移到SoC。第二步是在不關(guān)閉系統的情況下啟動(dòng)該補丁，使新固件可以生效。

但是，取決于SoC的復雜性和智能程度，將數據從外部加載器傳輸到SoC的方式與SoC之間的傳輸是不同的?；镜碾姳鞸oC可能沒(méi)有GPRS或以太網(wǎng)等高級外設。

在這種情況下，簡(jiǎn)單的外設，如：SCI、SPI或I2C，可用來(lái)將數據(補丁)從外部源傳輸到SoC。然而，這會(huì )涉及內核，因為內核需要讀取外設的數據寄存器，然后執行閃存寫(xiě)入操作。

通過(guò)采用能夠直接連接存儲器和外部世界的外設，可以最大程度地降低這項要求。這樣，內核能夠在將新軟件加載到存儲器的同時(shí)執行其它任務(wù)?？梢允褂肈MA輕松地將數據傳輸到存儲器，不需要內核介入。

然而，上面討論的所有方法都面臨一個(gè)重大挑戰：更新流程基本上是手動(dòng)完成的，人們需要手動(dòng)連接固件加載器和SPI、SCI或USB。這會(huì )增加固件更新的費用。

使用ZigBee收發(fā)器、GPRS/GSM/CDMA、以太網(wǎng)、PLC等高級通信方式可以更高效地進(jìn)行固件更新。如果使用ZigBee收發(fā)器，通過(guò)手持設備就能夠建立與儀表的無(wú)線(xiàn)連接，確定其真實(shí)性，然后進(jìn)行數據傳輸。這不會(huì )完全消除人工操作，但是通過(guò)加速整個(gè)操作過(guò)程，大大減少了手動(dòng)操作。

其它模式，如：以太網(wǎng)、GPRS/GSM/CDMA、PLC等不需要任何人工介入。服務(wù)提供商的中央服務(wù)器會(huì )根據指令將軟件代碼傳輸到SoC，也會(huì )根據該指令建立網(wǎng)絡(luò )。對SoC進(jìn)行編程，使其把接收到的數據保存在內部存儲器，然后軟件重置會(huì )發(fā)起軟件更新流程。

該問(wèn)題涉及的另一部分是，要在不關(guān)閉系統的情況下從內核執行代碼。該架構可以支持啟動(dòng)選項編程，可對SoC進(jìn)行編程，從而在下一個(gè)低功率或軟件生成的重置時(shí)從另一個(gè)指定位置啟動(dòng)。還可以使該架構選擇從RAM啟動(dòng)，以便新代碼可以保存到RAM，然后在下一次重置/低功率模式恢復時(shí)，系統可以從RAM啟動(dòng)，而不是從閃存啟動(dòng)，然后新的更新將生效[3]。

挑戰5：數據處理

隨著(zhù)系統/解決方案推出越來(lái)越多的功能，儀表需要控制的任務(wù)和處理的數據也大幅增加。因此，根據應用和SoC內核的負載，設計人員可能決定遷移到32位內核或者采用強大的DSP內核，使應用(通信等)和計量部件不會(huì )互相影響。通過(guò)在SoC中采用額外硬件，還可以分擔內核的計算工作量，額外的硬件只負責各種計算工作，因為計量應用是高度計算密集型的應用。

數據匯集器和計量網(wǎng)關(guān)受系統數據處理能力的影響最大，因為它們需要處理大量數據。同時(shí)，它們需要支持用戶(hù)接口，進(jìn)一步增加了相關(guān)的數據處理復雜性和相應的要求。因此，未來(lái)可能會(huì )推出多核SoC以支持龐大的網(wǎng)絡(luò )。

挑戰6：更快速、更可靠的通信

測量消耗量只是問(wèn)題的一部分(見(jiàn)圖2)。迄今為止，全球的大多數儀表都需要手動(dòng)抄表。這是因為傳統儀表無(wú)法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動(dòng)抄表不僅增加了運營(yíng)成本，還容易引入人為錯誤。

因此，對于有效的解決方案，儀表還應提供支持聯(lián)網(wǎng)解決方案的能力，并能將數據傳輸到儀表網(wǎng)絡(luò )，以便實(shí)現自動(dòng)抄表。電表抄表傳輸的一個(gè)主要問(wèn)題是存在電噪聲。

圖2：解決方案的各種儀表聯(lián)網(wǎng)選項簡(jiǎn)圖。

因此，通信模式應能夠承受噪聲而不破壞數據。因此，儀表應能夠以支持錯誤檢測和清除的格式生成輸出，即使數據由于噪聲而失真，也能夠從接收數據包恢復。同時(shí)，所有此類(lèi)加密都增加了要傳輸的數據的大小。

因此，數據傳輸速度也很重要。目前，有多種數據傳輸模式。其中最常見(jiàn)的包括GPRS、以太網(wǎng)、電力線(xiàn)通信、ZigBee、紅外線(xiàn)收發(fā)器等。

通信模式將根據最終應用進(jìn)行選擇，如ZigBee/IR(紅外線(xiàn))收發(fā)器可能更適用于儀表與基站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)交互以傳輸數據的儀表網(wǎng)絡(luò )，基站把從許多儀表(復雜情況下為100米)收集到的數據發(fā)送到使用有線(xiàn)通信的中心站。更多信息詳見(jiàn)“新時(shí)代智能電表架構”。

本文小結

如今，計量演進(jìn)的速度非常驚人，設計人員需要做好準備，預見(jiàn)將來(lái)會(huì )出現的問(wèn)題和挑戰。除非設計人員積極應對問(wèn)題和挑戰，否則我們將無(wú)法提供既能夠滿(mǎn)足未來(lái)需求又能塑造未來(lái)世界的產(chǎn)品。一個(gè)巨大的挑戰是提供能夠解決上述問(wèn)題和其它問(wèn)題的單芯片解決方案。前面提到的問(wèn)題僅僅是個(gè)開(kāi)始，我們還將面臨更多的問(wèn)題。