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智能電表憑借著其節(jié)能、高精確度等多種優(yōu)勢，在最近幾年迅猛發(fā)展，據(jù)研究機構數(shù)據(jù)顯示，中國2012年的智能電表數(shù)量將超過1.1億個，到2016年，出貨量會達到1.45億個。面對這么一個大市場，各大廠商都在智能電表方案上面進行了多方面的研究改進以提高其競爭力。下面我們就通過介紹一些智能電表的技術方案來加深大家對智能電表的了解。
預付費智能電表設計要考慮什么問題
本文旨在通過對恩智浦半導體智能電表解決方案的介紹，使大家對非接觸式預付費智能表系統(tǒng)有一個整體的認識。本文還對一些常見問題做出了回答，諸如：非接觸式預付費智能表系統(tǒng)是如何工作的？非接觸式技術帶來哪些益處？公用事業(yè)預付費系統(tǒng)有哪些優(yōu)點？智能卡在測量系統(tǒng)中起什么作用？預付費智能表系統(tǒng)需要什么程度的安全級別？使用非接觸式預付費智能表系統(tǒng)時需要考慮哪些關鍵問題？
智能電表系統(tǒng)簡介
日益緊張的能源供給和上漲的能源成本迫使電力供應商更有效地計算、監(jiān)測和控制電能分配。
電網(wǎng)的老化和近年來屢次出現(xiàn)的電力中斷現(xiàn)象很清楚地顯示出輸電網(wǎng)的使用已經(jīng)達到極限。因此電網(wǎng)公司需要更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行測算分析，以更有競爭力的價格買賣電能。
全世界的政府機構都很重視可再生能源方面的技術，美國奧巴馬政府斥資45億美元鼓勵創(chuàng)新和促進可再生能源科技的推廣使用。其中創(chuàng)新之一便是公用事業(yè)智能表的改革。中國政府也于日前宣布了高規(guī)格的智能電網(wǎng)計劃。這些計劃將給智能電表行業(yè)帶來前所未有的發(fā)展契機。
智能表允許家用和商用電能系統(tǒng)自動將電能消費紀錄傳給公用事業(yè)管理中心和終端使用者，允許每個人跟蹤其電能使用情況并隨時調(diào)節(jié)使用量。如果用戶家中有數(shù)字工具可控制電能使用量，則在用電高峰時期輸電網(wǎng)的最大負荷就可減少高達15%，未來20年里不用再建新的發(fā)電廠和配套基礎設施，由此可節(jié)省700億美元。
從長期來看，保護環(huán)境的需要使得很多國家不得不另辟蹊徑以節(jié)約能源并減少石油消費和二氧化碳的排放量；另外，政府和公司也希望減少偷電等欺詐行為。
非接觸式預付費智能電表系統(tǒng)可解決這些難題，同時使智能卡和智能電表系統(tǒng)更加安全。
預付費智能表系統(tǒng)
1．什么是預付費智能表？
預付費意為預先支付公用事業(yè)服務費用，例如水電費、煤氣費等。一張非接觸式智能卡就能記錄所有信息，包括用戶的使用時間、用量和花費。
2. 預付費智能卡是如何工作的？
首先，消費者為支付公用事業(yè)費用可通過銀行、非接觸式終端機或者互聯(lián)網(wǎng)向非接觸式智能卡上充值；然后，在消費者家中，智能卡中的充值金額可轉(zhuǎn)到非接觸式智能表中，消費者就可安心享用公用事業(yè)服務了；如智能卡中余額不足，消費者可在商店購買充值卡向智能卡中充值即可。消費者家中也可留一張備用卡，以防智能卡中余額不足或者消費者不想或不能立即向智能卡中充值等情況。否則，一旦智能卡中余額不足，消費者就不能享用公用事業(yè)服務了。可以預見在不久的將來，手機有可能代替智能卡實現(xiàn)這些功能。
3. 預付費系統(tǒng)有何優(yōu)勢？
短期來看，公用事業(yè)收費更快更及時：計費表大都裝在居民家中，如果家中沒人，電表公司就不能及時抄表，引起額外成本；為抄表和維修節(jié)省成本：不再需要派專人花大量時間去抄表。智能卡和智能表壽命更長，省去了維修成本。同時，也節(jié)省了計費管理成本；先付費，后使用，直接消除了不付款的風險。在使用智能表的情況下，沒有任何人可以逃避繳費。另外，如果房東想出租房子，對房東來講，預付費系統(tǒng)的優(yōu)勢立顯；用戶可更容易地控制自己的使用量，而且不會因電源突然中斷而煩惱。
長期來看，為公用事業(yè)管理中心降低抄表和維修的人力成本；可提高電網(wǎng)公司業(yè)務效率：便捷控制可減少使用量。在用電高峰期，使用此系統(tǒng)可減少電能使用量，，從而使電網(wǎng)公司不必建很多發(fā)電站，減少了不必要的投資，由此可使電網(wǎng)公司節(jié)省數(shù)十億美元；消費者可更加方便地控制使用量從而減少了能源用量；有利于保護環(huán)境：這尤其利于石油和水資源短缺的地區(qū)，減少能源消費量有益于這些地區(qū)的發(fā)展，并可抑制物價上漲；非接觸式智能表系統(tǒng)對高濕度高溫度等惡劣環(huán)境抵抗力更強，從而延長了電表的使用壽命。
給公用事業(yè)公司和中介機構帶來的好處：非接觸式智能表系統(tǒng)可自我管理，不需要派專人抄表或者派專人管理某處房子的電源系統(tǒng)。非接觸式智能表系統(tǒng)工作壽命更長，管理成本更低。和傳統(tǒng)的儀表系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在行政費用結(jié)算以及登記管理開銷/注銷方面，成本更低；該系統(tǒng)具有可靠、高效和自主管理等優(yōu)點，而且在費用不足的情況下可自動中斷服務。系統(tǒng)通信僅限于卡和讀卡器之間，不需要將讀卡器中的數(shù)據(jù)再傳送到電網(wǎng)公司；信用記錄差的客戶或頻繁搬家的客戶都可使用該系統(tǒng)，因此擴大了客戶群也增加了公用事業(yè)公司的收益；該系統(tǒng)先付費的特征有利于公用事業(yè)公司更快地收回投資成本，降低不支付風險（它可以占到智能電網(wǎng)公司收益額的10%）。
給消費者帶來的好處：消費者通過該系統(tǒng)可清楚地了解自己的使用量，從而會減少用量并提前為水電消費做出預算。大部分人直到拿到電費單才知道自己每月到底用了多少度電。擁有更多的控制權也意味著有更多的靈活性。在用電高峰時電價上漲，因此鼓勵消費者錯開用電高峰，在需求較少時洗衣；該系統(tǒng)操作簡單方便：有時人們無意中忘記付賬單，或者要專門去銀行轉(zhuǎn)賬支付，或者在回家的路上賬單丟了，都會引起麻煩。預付費系統(tǒng)很容易地解決了這些問題，從而降低了非自愿不付款的風險；該系統(tǒng)同樣允許那些曾經(jīng)有不良信用記錄或者信用度低的消費者使用；智能卡中只存有需要完成交易的金額，不包含個人信息。
為什么非接觸式系統(tǒng)要預付費？
1. 市場發(fā)展趨勢
非接觸式技術的應用是銀行、門禁管理、交通運輸和電子政務發(fā)展的需要。萬事達、維薩和美國運通正在美國和一些歐洲國家部署非接觸式技術用于安全支付。非接觸式技術已經(jīng)在公共交通部門運用很多年了。目前世界上很多國家的電子護照和身份證都是非接觸式的了。另一些地方，比如自動售貨機也開始運用非接觸式技術了。
非接觸式技術集多種功能于一張卡中，包括電子錢包、公共交通和支付公路費等功能，這種卡正在越來越流行。多項服務集于一身使得運營商在鞏固成本的基礎上擴大了客戶群并增加了收益。
2. 非接觸式技術的優(yōu)勢
以上講的都是非接觸技術能夠給我們帶來哪些益處。下面再來看看智能表系統(tǒng)的益處：
非接觸式智能卡密封性好，能抵抗惡劣環(huán)境的侵蝕，如高溫、低溫、潮濕、水和灰塵等，因此保證了卡的壽命更長。即便卡損壞了，卡內(nèi)的芯片照樣可以工作，非接觸式IC卡與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障，例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵或油污導致接觸不良造成的故障。非接觸式IC卡表面無裸露芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。
讀卡器可對抗惡劣的天氣，從而延長了壽命，將維修成本降到最低。整個非接觸式系統(tǒng)要比接觸式系統(tǒng)可靠得多。
大多數(shù)計量表都被安裝在昏暗狹小的壁櫥里，要插進去卡還真不是一件容易的事情。接觸式IC卡首先需要插進讀卡器中才能完成交易，因此減少了IC卡的壽命。
非接觸式IC卡只要在近距離范圍內(nèi)靠近讀卡器就可完成交易。
安裝非接觸式智能卡系統(tǒng)和接觸式智能卡系統(tǒng)的成本是相同的。
為什么非接觸式預付費系統(tǒng)安全？
只要和金錢相關，不法分子總會想方設法不付費或者少付費。尤其是在水電短缺的國家，偷電偷水的激勵更大，因此公用事業(yè)公司應該防止不法分子的偷竊行為。
許多國家偷電現(xiàn)象非常普遍。在某些地區(qū)，消費者篡改電表使之停止甚至倒轉(zhuǎn)，這樣就能偷電成功。在新一代非接觸式預付費智能系統(tǒng)中已經(jīng)有了反偷電行為的設置了。
非接觸式預付費技術因避免了數(shù)據(jù)在用戶和電網(wǎng)公司之間的傳送而更加安全。只簽名、不加密、傳送渠道也不安全的數(shù)據(jù)極易被閱讀和操縱。非接觸式預付費系統(tǒng)只在讀卡器和IC卡之間傳送數(shù)據(jù)，不受外界干擾。當然讀卡器和IC卡之間傳送數(shù)據(jù)也要安全，以防止有人惡意竊取卡內(nèi)金額，高安全非接觸智能卡技術能完美的滿足以上應用需求。
產(chǎn)品描述
1. 非接觸和預付費
智能電表需要智能產(chǎn)品與之配套。預付費電表是如何工作的？非接觸電表系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個部分。硬件包括一個非接觸讀卡器，一個主控制器，外圍設備，一個天線和配套部分；軟件包括微控制器固件，主機驅(qū)動程序軟件和演示軟件。
恩智浦針對非接觸式預付費智能表系統(tǒng)的IC卡閱讀器有MFRC510、MFRC522、MFRC523、MFRC530、MFRC531和CLRC632等產(chǎn)品。另外恩智浦公司會依據(jù)未來新的需求繼續(xù)研發(fā)新的解決方案。
2. 智能表的其他IC元件
從上面的框架圖來看，智能卡明顯是一個很復雜的系統(tǒng)，包含很多不同的元件。為使智能表系統(tǒng)正常運行，恩智浦也提供了很多配套產(chǎn)品系列，包括微控制器、顯示驅(qū)動器、實時時鐘、邏輯產(chǎn)品（一般產(chǎn)品，串行EEPROM，橋接芯片，UART， 具有I2C的溫度傳感器），電源管理產(chǎn)品（starplug家庭），普遍適用的分立（BISS晶體管，肖特基二極管，可再生能源技術）和無線通信模塊（圖 3）。
上圖所列的恩智浦產(chǎn)品，產(chǎn)品技術很先進，而且已在儀表系統(tǒng)中應用多年了。
3. IC卡的安全性
恩智浦研發(fā)的產(chǎn)品中包括安全性極高的IC卡，可降低被操控的風險。此卡的讀卡器中含有安全訪問模塊（SAMs），如電子護照一樣安全性極高，并滿足通用標準
EAL5+。這種智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最優(yōu)化的技術，將用于公鑰基礎設施的異常強勁的協(xié)同處理器和對稱密鑰加密結(jié)合起來支持RSA、ECC、DES和AES。除提供最優(yōu)化功能和最高安全性外，它還擁有簡便易操作的先進操作系統(tǒng)和開放平臺解決方案。
智能卡的商業(yè)優(yōu)勢
盡管非接觸式預付費智能表系統(tǒng)的初始投資較高，但其收益豐厚，兼具經(jīng)濟效益和社會效益。首先，智能表系統(tǒng)比以往價格更低，這促使全球越來越多的地區(qū)選用智能表系統(tǒng)。在歐洲，三年來單個智能表的價格已從300美元降到了50美元。因此，安裝智能表的初始成本已不像前幾年那么高了。意大利國家電力公司埃奈爾花費30億美元安裝了3千萬個智能表（每個約合100美元，因而每年節(jié)省7億美元，五年內(nèi)就將投資成本全部收回。到2010年，預計投資成本會再降低30%到40%，投資成本可更快收回。
目前，發(fā)行非接觸式卡是具有成本效益的，該卡可以使用很多年。對于一個擁有100萬客戶的公司來講，發(fā)行非接觸式卡可消除結(jié)算過程中的成本，因而每年可節(jié)省幾百萬美元。結(jié)算成本是電網(wǎng)公司的主要成本之一，而預付費系統(tǒng)則可降低或者完全消除結(jié)算成本。
非接觸式卡或其他的非接觸式設備（如手機）還可提供別的服務，如大型超市發(fā)放會員卡可提高顧客忠誠度，政府可發(fā)放10元面值的卡用于相關社會福利等。
另外，還有之前提到過的，非接觸式預付費系統(tǒng)可消除惡意欠費的風險，由此而節(jié)省的費用可占到電網(wǎng)公司收益的10%。
非接觸式預付費智能系統(tǒng)帶來的社會效應也是不可忽視的。首先，此系統(tǒng)可使更多的人享用公用事業(yè)服務，因此提高了社會福利，并減少了偷電偷水等犯罪行為；其次，此系統(tǒng)降低了人均水電用量，減少了二氧化碳排放量，因此改善了人們的生活質(zhì)量。
為實現(xiàn)上述收益，電網(wǎng)公司需要有經(jīng)驗的公司提供支持，而恩智浦就是最佳合作伙伴。恩智浦有多年非接觸式市場經(jīng)驗，已經(jīng)為社會提供了超過一億個的IC卡讀卡器和20億張的非接觸式卡提供芯片技術支持，這些都證明了恩智浦技術的可靠性。
因此，即使新技術的初始投資成本高昂，收益也是立竿見影的?！凹夹g是昂貴的，但是不使用將更加昂貴?！狈墙佑|式預付費智能電表系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的迅速應用已經(jīng)使其價格更低，過渡更快。
高能效智能電表電源方案
從智能電表的組成來看，主要包括通信、電源及電源管理、計量及存儲等功能模塊。安森美半導體提供應用于智能電表各個功能模塊的豐富解決方案，如 PLC 調(diào)制解調(diào)器和線路驅(qū)動器、放大器、穩(wěn)壓、監(jiān)控、電壓保護、溫度傳感器、實時時鐘、存儲器、LCD 背光、I/O 接口、智能卡接口和 I/O 擴展器等。
其中，就電源及電源管理模塊（參見圖 1）而言，半導體廠商提供的產(chǎn)品包括高壓交流-直流（AC-DC）開關穩(wěn)壓器、直流-直流（DC-DC）開關穩(wěn)壓器/控制器和低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器 等（參見表 1），方便用戶根據(jù)具體應用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護特性等特點，非常適合智能電表應用。
圖 1：智能電表電源及電源管理模塊框圖。
表 1：應用于智能電表電源及電源管理模塊的器件列表。
提供高能效及低待機能耗的 AC-DC 開關穩(wěn)壓器
如表 1 所示，在交流-直流電源轉(zhuǎn)換部分，可以選用安森美半導體的一系列開關穩(wěn)壓器，如適合低功率應用的 NCP1010/1/2/3/4 自供電單片開關穩(wěn)壓器、適合中等功率應用的NCP1027 高壓單片開關穩(wěn)壓器，以及高壓門控開關穩(wěn)壓器 NCP1050/1/2/3/4/5 等。
以 NCP101x 為例，這系列器件集成了固定頻率電流模式控制器及典型導通阻抗為 11 或 22 Ω 的 700 V MOSFET，提供構建強固及低成本開關電源所需的全部特性，包括軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點及動態(tài)自供電（不需要輔助繞 組）等。在正常負載工作期間，NCP101x 以 65、100 及 130 kHz 中的某一頻率開關；而當電流設定點降到低于某個給定值（如輸出功率需求消失）時，NCP101x 自動進入所謂的跳周期模式（在此模式下跳除不需要的開關周期），從而提供極佳的輕載能效。由于進入跳周期模式通常發(fā)生在最大峰值電流的 1/4 時，故沒有可聽噪聲產(chǎn)生。因此，待機能耗降至最低，且沒有可聽噪聲產(chǎn)生。NCP101x 典型應用電路及不同型號的關鍵參數(shù)參見圖 2。
圖 2：NCP101x 單片開關穩(wěn)壓器典型應用電路及不同器件關鍵參數(shù)。
NCP1027 則為目標輸出功率等級為數(shù)瓦到 15 W 的通用主電源反激應用提供新的方案。這器件采用安森美半導體專有的高壓技術，集成了均直接連接至大電容的功率 MOSFET 及啟動電流源。為了防止在低輸入電壓條件下出現(xiàn)熱失控，這器件具有的可調(diào)節(jié)輸入欠壓保護電路阻止出現(xiàn)這種狀況，直到達到充足的輸入電平。這器件的其它特性 包括可調(diào)節(jié)斜坡補償、過功率保護、短路保護、過壓保護等。此外，NCP1027 提供較大的導通阻抗值，使其成為待機/輔助離線電源或要求較高輸出功率應用的極佳選擇。
NCP105x 是使終端設備能夠符合低待機能耗要求的單片開關穩(wěn)壓器，這系列器件直接采用整流的交流線路電源工作。在反激轉(zhuǎn)換器應用中，它們在 100、115 或 230 V 固定交流輸入電壓下能夠提供 6.0 至 40 W 的輸出功率，而在 85 到 265 V 的可變交流輸入電壓下能夠提供 3.0 至 20 W 的輸出功率。這系列器件提供有源啟動穩(wěn)壓器電路，使轉(zhuǎn)換器變壓器上無需輔助偏置繞組。其它特性包括故障檢測器及可編程定時器（用于轉(zhuǎn)換器過載保護）、獨特 的門控配置（提供極快環(huán)路路應及雙重脈沖抑制）、電源開關限流、帶遲滯的輸入欠壓鎖定、熱關閉及自動重啟故障檢測等。這系列器件 25 ℃結(jié)溫下的限流閾值典型值介于 100 mA 到 680mA 之間。
提供不同電流電平的 DC-DC 開關穩(wěn)壓器
關穩(wěn)壓器 NCP3155、1.5 A 開關穩(wěn)壓器 NCP3063/4、0.5/1.0/3 A 開關穩(wěn)壓器 LM2594/5/6、NCP3020/11 脈寬調(diào)制（PWM）控制器及 NCP1034 PWM 控制器。
以 NCP3155 為例，這是安森美半導體新推出 的一款 DC-DC 同步降壓穩(wěn)壓器，包含NCP3155A 和 NCP3155B 兩個版本。NCP3155 包含全集成電源開關（48 mΩ 高端 FET 及18 mΩ 低端 FET），提供完整的故障保護特性（輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護及輸出欠壓保護、限流及短路保護）。這器件的輸入電壓范圍為 4.7 至 24 V，輸出電壓可調(diào)節(jié)。NCP3155支持較高的工作頻率（A 版本為 500 kHz，B 版本為 1 MHz），能夠使用較小的濾波器組件，從而減小占用的電路板空間及物料單（BOM）成本。NCP3155 采用 SOIC-8 封裝，典型應用電路圖參見圖 3。
圖 3：NCP3155A 典型應用電路圖。
NCP3063 及 NCP3064 是 1.5 A 升壓、降壓及反轉(zhuǎn)開關穩(wěn)壓器，包含內(nèi)置溫度補償參考、比較器、占空比受控振蕩器及有源限流電路、驅(qū)動器及大電流開關。這系列器件的設計專門針對升壓、降壓 及電壓反轉(zhuǎn)應用，所需外部組件極少。這系列器件的輸出開關電流達 1.5 A，也可用作控制器，支持達 5 A 電流。NCP3064 與 NCP3063 不同的是，提供導通/關閉引腳，用于低能耗關閉模式，典型待機電流消耗僅為 100 μA。
LM2594、LM2595 和 LM2596 分別是 0.5 A、1.0 A 及 3 A 降壓開關穩(wěn)壓器。與常見的三端線性穩(wěn)壓器相比，這系列器件的能效要高得多，特別是在較高輸入電壓的條件下。這系列器件采用 150 kHz 開關頻率工作，能夠使用尺寸更小的濾波組件。其它特性包括：特定輸入電壓及輸出負載條件下確保提供±4%的輸出電壓容限、振蕩器頻率精度達±15%、支持 外部關閉（LM2594 和 LM2595 待機電流典型值為 50μA，LM2596 為 80 μA）、輸出開關逐周期限流及故障條件下熱關閉等。
NCP3020/11、NCP1034 均為同步降壓 PWM 控制器。其中，NCP3021/11 支持 4.7 至 28 V 的輸入電壓范圍，提供啟用（EN）/功率良好（PG）/同步（SYNC）引腳，以及 300/400/600 kHz的開關頻率。保護特性包括無損耗限流、短路保護、輸出過壓保護、輸出欠壓保護及輸入欠壓鎖定。
NCP1034 與 NCP3020/11 不同，能夠接受高達 100 V 的輸入電壓，并提供 50 kHz 至 500 kHz 的可調(diào)節(jié)開關頻率，具備 2 A 輸出電流能力，提供用戶可編程輸入欠壓鎖定及斷續(xù)（hiccup）限流等保護特性。
提供不同電流電平的線性 LDO 穩(wěn)壓器
半導體廠商同樣提供不同電流電平的線性低壓降穩(wěn)壓器，方便用戶的選擇。這些 LDO 穩(wěn)壓器包括 LP2951、NCP4640/1、NCP562 及 NCP4588 等。
其中，LP2951 是 100 mA 多功能 LDO 線性穩(wěn)壓器，特別設計用于輸入與輸出電壓差極低的穩(wěn)壓應用。這器件提供 75 μA 的極低靜態(tài)偏置電流，并提供固定或可調(diào)節(jié)輸出電壓（輸出電壓可在 1.25 V 至 29 V 之間設定）。NCP4640 和 NCP4641 則是 50/150 mA 線性穩(wěn)壓器，支持 4 至 36 V 輸入電壓并可承受 50 V 電壓。NCP562 是 80 mA 超低靜態(tài)電流 LDO 穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流低至 2.5 μA。NCP4588 則是 200 mA 輸出 LDO 線性穩(wěn)壓器，典型靜態(tài)電流小于 9.5 μA，待機電流為 0.1 μA，壓降低至 270 mV，并提供高 70 dB 的電源抑制比（PSSR）。這器件即使在負載電流變化的情況下也可以省去輸出電容，在沒有輸出電容的情況下仍然保持穩(wěn)定工作。但如果負載變化極大，最好使 用 0.1 μF 至 10 μF 的輸出電容。
圖 4：NCP4588 在省去輸出電容的情況下仍能保持穩(wěn)定工作。
應用于智能電表的其它解決方案
如上所述，半導體廠商為智能電表應用提供豐富的解決方案，除了上述電源及電源管理方案，還包括電力線載波（PLC）調(diào)制解調(diào)器，以及豐富的存儲器（EEPROM 及 SRAM）、時鐘、接口、保護/濾波產(chǎn)品等，構成我們應用于智能電表的完整解決方案。
例如，安森美半導體推出了支持 2.4 kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率、符合IEC61334-5-1標的AMIS-49587高集成度低功率PLC調(diào)制解調(diào)器方案，以及能驅(qū)動高達 2 A電流的高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動器——NCS5650，能夠很好地配合智能電表PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動應用。
圖 5：應用于智能電表通信模塊的 PLC 調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動器方案。
為智能電表選擇適合的PLC調(diào)制解調(diào)器
如何為智能電表選擇適合的PLC調(diào)制解調(diào)器方案？
近年來，在綠色節(jié)能意識的推動下，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為歐美日中等諸多國家競相發(fā)展的一個重點領域。如歐盟委員會強制要求2022年前所有歐盟成員國的電表都替換為智能儀表。美國也計劃在每個家庭都安裝智能儀表。中國也在2009年5月開始提出構建堅強智能電網(wǎng)的構想，準備投資高達4萬億元，計劃經(jīng)歷當前的試點和2011年開始的全面建設等階段后，到2020年基本實現(xiàn)構想。在此推動下，電網(wǎng)技術面臨著一場重要的革命，而不只是簡單的技術演進。
表1：傳統(tǒng)電網(wǎng)與新的智能電網(wǎng)之間的簡單對比
在智能電網(wǎng)中，智能電表發(fā)揮關鍵的作用，可以使用戶與電力系統(tǒng)之間實現(xiàn)互動。如一方面幫助電力機構精確了解用戶的用電規(guī)律，為高峰用電或低谷用電設定差異化的電價；另一方面，用戶也可以合理調(diào)整自己的用電計劃，從而優(yōu)化電費支出。從功能模塊來看，智能電表除了電源和計量模塊外，還涉及到數(shù)據(jù)存儲功能，需采用安全可靠的存儲器；此外，雙向?qū)崟r通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關重要，需要選擇適合的通信方式及相應的最佳解決方案。
實際上，智能電網(wǎng)是一個龐大系統(tǒng)，涉及電力、通信及應用等多個層次，以及局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）等不同網(wǎng)絡類型。其中，LAN連接家庭或建筑物內(nèi)的不同類型的智能電表到數(shù)據(jù)集中器（concentrator）。就這一段的網(wǎng)絡連接而言，通常它們對通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本，常見的通信方式有無線射頻網(wǎng)絡，或有線的電力線載波（PLC）或電力線寬帶（BPL ）等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網(wǎng)實際狀況等因素，同時先行先試國家的做法也會提供借鑒意義。
圖1：法國EDF旗下公司法國配電公司（ERDF）的Linky項目簡略示意圖
例如，在歐洲能源市場有重要影響力的法國電力（Electricité de France， EDF）于2009年中啟動了當前世界上最大的智能電表項目Linky，計劃到2017年在法國部署3，500萬個智能電表。這個項目為智能電表到數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇了PLC技術，然后再利用通用分組無線業(yè)務（GPRS）技術將數(shù)據(jù)傳送到該公司的數(shù)據(jù)中心?？紤]到中國的智能電網(wǎng)仍在試點階段，法國ERDF的選擇對中國等其他國家也具有借鑒意義。
PLC調(diào)制技術的選擇
雖然PLC技術提供了一種低成本的選擇，但電力線的初衷并不是用于通信，故在應用PLC通信時也面臨一些挑戰(zhàn)。特別是設計人員需要密切注意會出現(xiàn)的信號衰減和噪聲問題，反之也要求復雜的收發(fā)器技術。
為了抑制由噪聲導致的信號衰減，降低誤碼率，并改善頻率效率，有必要利用適合的信號調(diào)制技術。實際上，電力機構在部署智能電表抄表系統(tǒng)時，有多種不同的調(diào)制方式，但主要的有三種，分別是正交頻分復用（OFDM）、相移鍵控（PSK）和擴頻型頻移鍵控（S-FSK）。
OFDM的理論帶寬較高，但實際上在低壓網(wǎng)絡中的噪聲條件下會損失很大一部分的帶寬，而且OFDM的應用成本較高，工作時還消耗可觀的電能。PSK調(diào)制技術的應用成本很低，但不是特別可靠，性能會受到相位噪聲影響，而且無法充分覆蓋較長距離。相比較而言，雖然S-FSK的數(shù)據(jù)率比OFDM低，但更勝任智能電表應用。這種調(diào)制技術能實現(xiàn)可靠的通信，同時應用成本更低，消耗的電能也更少。因此，就當前的智能電網(wǎng)PLC應用而言，復雜度低、商用潛力更大及有可靠現(xiàn)場應用記錄的S-FSK調(diào)制技術無疑是更適合的選擇。
為了抑制由噪聲導致的信號衰減，降低誤碼率，并改善頻率效率，有必要利用適合的信號調(diào)制技術。實際上，電力機構在部署智能電表抄表系統(tǒng)時，有多種不同的調(diào)制方式，但主要的有三種，分別是正交頻分復用（OFDM）、相移鍵控（PSK）和擴頻型頻移鍵控（S-FSK）。
OFDM的理論帶寬較高，但實際上在低壓網(wǎng)絡中的噪聲條件下會損失很大一部分的帶寬，而且OFDM的應用成本較高，工作時還消耗可觀的電能。PSK調(diào)制技術的應用成本很低，但不是特別可靠，性能會受到相位噪聲影響，而且無法充分覆蓋較長距離。相比較而言，雖然S-FSK的數(shù)據(jù)率比OFDM低，但更勝任智能電表應用。這種調(diào)制技術能實現(xiàn)可靠的通信，同時應用成本更低，消耗的電能也更少。因此，就當前的智能電網(wǎng)PLC應用而言，復雜度低、商用潛力更大及有可靠現(xiàn)場應用記錄的S-FSK調(diào)制技術無疑是更適合的選擇。
安森美半導體PLC調(diào)制解調(diào)器的應用優(yōu)勢
安森美半導體在開發(fā)PLC調(diào)制解調(diào)器方面擁有較長的歷史。速率1.2 kb的AMIS-30585為早前推出，最初開發(fā)時就符合IEC 61334標準（SFSK規(guī)范），迄今已歷經(jīng)8年的現(xiàn)場應用檢驗。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合標準的低功率PLC方案，支持PLC現(xiàn)場部署要求的4種不同模式，如NO_CONFIG、MASTER（集中器）、SLAVE（電表）和SPY（給測試人員的原始數(shù)據(jù)），非常適合智能電表以及智能街燈和智能插座等應用。與AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率速率，符合諸如ERDF規(guī)范這樣的市場新要求，目前已經(jīng)獲得法國原設備制造商（OEM）的先期使用，在中國也已獲得數(shù)家領先電表客戶的選用。兩款器件引腳對引腳兼容，為客戶提供了更大的設計便利。
AMIS-49587符合IEC61334-5-1標準，為客戶提供眾多應用優(yōu)勢。例如，這器件基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核，同時包含物理接口收發(fā)器（PHY）和媒體訪問控制器（MAC）層，使其以單芯片方案結(jié)合了模擬調(diào)制解調(diào)器前端和數(shù)字后處理功能，而大多數(shù)競爭方案需要復雜的嵌入式軟件來執(zhí)行與AMIS-49587相同的功能。設計人員使用AMIS-49587調(diào)制解調(diào)器，可以簡化設計，能在不到一個季度的時間內(nèi)開發(fā)出全套互操作PLC方案，還降低開發(fā)及應用成本。實際上，基于AMIS-49587的調(diào)制解調(diào)器方案中僅使用2顆IC（另一顆為NCS5650 2 A PLC線路驅(qū)動器），外加16顆電阻、17顆電容、2個二極管、1個晶體和1個脈沖變壓器，總元件數(shù)量僅為39個，提供低物料單（BOM）成本。
此外，AMIS-49587采用S-FSK調(diào)制技術，結(jié)合高分辨率的濾波算法，配以自動可信值/中繼器（repeater）功能，提供基于長距離電力線的高可靠性數(shù)據(jù)通信。通信誤差比其它可選及現(xiàn)有方案更低。這器件藉板載低抖動鎖相環(huán)（PLL）與交流主電源（mains）信號同步。由于包含16位分辨率的模擬前端，使器件具有極優(yōu)的噪聲免疫性和極高的接收靈敏度。
AMIS-49587的易用性也很突出。由于內(nèi)嵌協(xié)議處理功能，使設計人員無需涉及PHY和MAC協(xié)定傳輸細節(jié)問題，節(jié)省多達50%的軟件開發(fā)耗費，從而加快上市時間，降低總成本。這器件藉串行接口直接連接至用戶主微控制器（MCU）。
AMIS-49587同時兼容于單相和多相電表，滿足客戶不同需求。此外，其能耗也比基于數(shù)字信號處理器（DSP）的方案更低，非常適合智能電表至集中器的PLC通信應用。為了幫助設計人員加快開發(fā)進程，安森美半導體還提供*估套件AMIS49587EVK，方便用戶開發(fā)。這套件內(nèi)含2個PLC調(diào)制解調(diào)器，用于在客戶端與服務器端之間配置通信；還包含開源圖形用戶界面，用于配置端到端通信。
安森美半導體為智能電表應用提供完整方案
與普通電表相比，智能電表無疑是更為復雜的系統(tǒng)。而安森美半導體為智能電表應用提供完整的解決方案，除了上述用于通信應用的PLC調(diào)制解調(diào)器和線路驅(qū)動器方案外，還提供用于電源管理、測量和存儲等關鍵功能的解決方案。如在電源管理模塊，可以應用安森美半導體的NCP1014、NCP1015等AC-DC轉(zhuǎn)換器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC轉(zhuǎn)換器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低壓降（LDO）穩(wěn)壓器，以及NTMFS4823等中壓及高壓FET。此外，在智能電表應用中，也可采用安森美半導體系列EEPROM、SDRM等存儲器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、邏輯、USB保護、監(jiān)控、I/O擴展、時鐘和溫度傳感器等。
圖2：安森美半導體應用于智能電表的解決方案。
在方興未艾的智能電網(wǎng)應用中，智能電表發(fā)揮關鍵作用。設計人員需要為智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇適合的通信方式，而PLC已經(jīng)成為業(yè)界先導公司及先期試驗項目的選擇，頗具示范及借鑒意義。設計人員需要為PLC通信選擇調(diào)制解調(diào)器方案。安森美半導體用于PLC的調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品符合標準及客戶規(guī)范，并提供眾多應用優(yōu)勢，如簡化設計、降低成本、降低耗電、提供可靠通信及加快上市進程等。安森美半導體更為智能電表應用提供包括電源/電源管理及保護、通信、測量和存儲等關鍵功能的完整解決方案，方便客戶的選擇，幫助他們降低采購成本及加快產(chǎn)品上市。
基于CAN總線的智能電表集中器的設計
本文設計了一種基于CAN總線的遠程電表抄表系統(tǒng)集中器?；贑AN總線的智能電表系統(tǒng)具有造價較低，可靠性高，組網(wǎng)簡單，管理方便，操作簡捷等優(yōu)點，并且可以通過擴展和升級硬件，利用有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡通信，把集中器采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到售電公司的管理系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，通過應用線損分析、遠程通斷電、防竊電分析等功能達到更高的智能化。
1 集中器的功能及原理分析
一般的智能電表系統(tǒng)由四部分組成：表頭，集中器，通訊器，上位機系統(tǒng)。具體如圖1所示，其工作原理是通過一體化載波表或安裝在電表表尾的電力計量傳感系統(tǒng)模塊經(jīng)CAN總線組網(wǎng)，集中器按設定好的時間段接收數(shù)據(jù)并保存到內(nèi)部flash中，當上位機發(fā)來讀數(shù)據(jù)的信號后上位機通過RS232或RS485讀數(shù)，讀到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到用電管理中心。
在遠程抄表表系統(tǒng)中，集中器是一個重要組成部分。
集中器通過CAN總線控制并讀取表頭的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在集中器的flash中。集中器執(zhí)行從上位機發(fā)送的控制命令：
對時、讀flash、讀表數(shù)、限電、增加表頭地址等。
集中器通過CAN控制器發(fā)送讀表命令信號到總線上，每個表頭根據(jù)讀表命令將采集的信號通過CAN總線發(fā)送到集中器。集中器將采集的信號存儲在flash芯片中。上位機通過串口發(fā)送讀數(shù)據(jù)信號到集中器，集中器就把存儲在flash中的數(shù)據(jù)傳送給上位機。
2 集中器硬件設計
主控芯片采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103Tx，該系列單片機是ARM的CortexTM-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應。具有運行速度快（系統(tǒng)時鐘頻率最高可達72MHz）26個復用GPIO；64KB片上RAM；2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間（多達16個輸入通道）；3個SPI，5個USARTs，2個IIC接口；片上256KBFLASH；2個看門狗，11個定時器；芯片具有獨立的實時時鐘，能夠相關資料豐富，提供單片機使用庫函數(shù)，用C語言編程十分方便，易于開發(fā)。
由于智能電表控制器需要很準確的實時性，以方便售電公司收取用電費用。因為主控芯片自帶實時時鐘，所以只需要外接獨立的32.768kHz的晶體。實時時鐘既可以通過寄存器設置年月日及具體時間，同時還有鬧鐘功能，定時中斷進行指定操作。
智能電表集中器的硬件部分結(jié)構如圖1所示，主要有ARM，F(xiàn)lash，時鐘芯片，接口電路，RS232，RS485，電源等組成。ARM作為控制芯片，有標準設計；ARM接口電路比較簡單，以下重點討論CAN總線接口和Flash接口設計。
圖1智能電表抄表系統(tǒng)結(jié)構框圖
2.1 CAN總線接口電路設計
因為系統(tǒng)對信號傳輸過程中的穩(wěn)定性和抗干擾能力要求很高，所以CAN接口采用高標準接口電路。電路圖如圖2所示。
圖2 CAN接口硬件電路圖
CAN-bus接口電路采用+3.3V供電，選擇CTM8251A隔離CAN收發(fā)器。該芯片是3.3V工業(yè)級的隔離CAN收發(fā)器。CTD0信號連接主控芯片的CAN控制器的發(fā)送腳，CRD0信號連接CAN控制器的接收腳。CTM隔離CAN收發(fā)器內(nèi)有一完整的CAN-bus隔離收發(fā)器電路，可以將來自CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線信號，并具有DC2500V隔離功能。另外，CTM收發(fā)器可以選擇集成ESD保護功能的“T”系列，從而省略外擴的ESD保護器件。共模扼流圈T1起著EMI增強的功能，用于提高設備的EMI能力；共模扼流圈T1的電感參數(shù)很重要，選擇CAN-bus專用器件，比如EPCOS的B82793扼流圈。
2.2 Flash接口電路設計
集中器需要對與之相連的每個電表表頭采集數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)量較大，從而對存儲有著較高的要求，故選用ST的M25P64-VMF6TP。該芯片為64M串行接口閃存，增強數(shù)據(jù)傳輸時鐘速率為50MHz；讀的吞吐量為50Mbps；接口為簡單的4線SPI（串行外圍設備接口）接口；深度降功耗模式間斷功耗，電流消耗僅為1uA。
M25P64Flash芯片，通過SPI總線與ARM相連。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息，一般使用4條線：串行時鐘線（SCL）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO（SDO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI（SDI）和低電平有效的從機選擇線CS。SPI以主從方式工作，通常有一個主設備和一個或多個從設備。
圖3為ARM與Flash的連接電路圖。以下幾點說明：（1）SCL串行時鐘信號，由主設備產(chǎn)生；（2）SDO主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入；（3）SDI主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出；（4）CS為片選，從設備使能信號，由主設備控制。（5）對7、15、16角外接上拉電阻，提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。
圖3Flash接口硬件電路圖
3 集中器軟件設計
集中器系統(tǒng)采用數(shù)序程序設計，按功能模塊設計程序，由主程序調(diào)用各個功能模塊程序?qū)崿F(xiàn)各個相應功能，各個功能模塊通過調(diào)用底層函數(shù)完成相應的操作。具體流程見圖4，啟動后，開始初始化系統(tǒng)。系統(tǒng)進入等待命令模式，如果有上位機操作命令或有定時中斷發(fā)生則進入對時程序，對時如果超出一定時間還未成功則向上位機報警。
對時成功后，集中器繼續(xù)等待上位機的讀數(shù)命令或等待中斷讀數(shù)命令。當收到讀數(shù)的命令后，定時讀數(shù)使集中器按設置的時間，自動讀取表頭采集來的數(shù)據(jù)；讀數(shù)使集中器讀取當前表頭的數(shù)據(jù)。
圖4系統(tǒng)軟件流程圖
集中器通過CAN總線可以掛載最多100個表頭，集中器發(fā)出CAN總線設備的ID。每個分系統(tǒng)表接收到對應的ID號后，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的讀表頭命令來反饋數(shù)據(jù)。如果CAN通訊有故障，CAN控制器通訊將報故障。如系統(tǒng)回路正常，集中器的發(fā)送命令數(shù)據(jù)包。每幀CAN數(shù)據(jù)包含8字節(jié)，因為每次讀數(shù)的數(shù)據(jù)流量不是很大，所以每次通訊只需要使用一幀CAN數(shù)據(jù)即可，表頭ID使用幀ID來識別，每個表頭對應獨立的幀ID。
集中器發(fā)送CAN數(shù)據(jù)命令包到CAN總線，表頭根據(jù)各自的ID選擇接收讀表命令后發(fā)送應答數(shù)據(jù)到CAN總線上。
集中器將接收到的應答數(shù)據(jù)提取出電表讀數(shù)存儲在flash中。CAN數(shù)據(jù)收發(fā)工作流程如圖5所示。
圖5數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖
智能電表集中器是遠程抄表管理系統(tǒng)的重要組成部分，集中器工作的穩(wěn)定性直接影響到了整個系統(tǒng)的效率。
本文分析了主要外圍接口電路，根據(jù)CAN總線的數(shù)據(jù)幀格式對收發(fā)數(shù)據(jù)流程進行了介紹。本設計作為智能電表抄表系統(tǒng)的一部分，目前成功應用于某些遠程抄表系統(tǒng)中，由于成本適中、性能穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟效益，具有很好的推廣前景，同時經(jīng)過簡單的修改就可以開發(fā)出其他的遠程抄表系統(tǒng)，如燃氣遠程抄表系統(tǒng)等。
分析幾項智能電表設計中遇到的挑戰(zhàn)
采用智能電表讓企業(yè)和工程師有更多機會設計出符合不斷演進的全球標準的計量解決方案，這些解決方案能夠滿足未來需求，并將成為大眾解決方案的一部分，即低成本解決方案。然而，要設計出成功的計量解決方案，還需要克服許多難題。
很多時候，開發(fā)計量芯片的設計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現(xiàn)設計問題，使產(chǎn)品因為小的設計缺陷而無法用于最終解決方案。
1 精確度
精確度是計量應用獲得成功的關鍵，因為服務提供商絕不會采用無法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來說尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平（因為片外ADC會增加最終解決方案的價格）。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(shù)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(shù)字接口，因此整體精度對SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。
另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：輸電線如何與儀表相接（使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等）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/水流量表來說，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，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進行討論。
模擬前端（AFE）從客戶的角度來說，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結(jié)果決定SoC的可擴展性。
模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC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。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術對輸入進行采樣，并執(zhí)行轉(zhuǎn)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(jù)ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過濾噪聲。同時，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間-穩(wěn)定ADC以給出準確轉(zhuǎn)換值所需的時間。
因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會導致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。
負載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執(zhí)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，可以確定一個比例值（電流或電壓）并饋送到AFE，然后使用ADC進行測量。
電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進行適當?shù)挠嬎?。這種“電流測量”過程的一個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(zhuǎn)換成相應的電壓，然后通過ADC測量該電壓，它對應于實際的電流消耗。這為電流測量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術可用于電流測量。一些使用最廣泛的技術包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器。
分流電阻器技術使用放置在負載電流線路上的?。ǚ至鳎╇娮杵鳌．斬撦d電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。這個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線圈中生成少量電流，然后將電流通過負載電阻器，將其轉(zhuǎn)換成相應的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。
Rogowski線圈是另一種測量電流的方法（見圖1）。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個積分器獲得相應電流值的原因。
圖1：Rogowski線圈結(jié)構
對比上述三種方式，分流電阻器技術是最便宜的；然而，該技術很難滿足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問題。電流互感器（CT）能夠比分流電阻器技術測量更多的電流，然而，它們本身也存在問題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問題。
第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問題。
然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點?？紤]到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術主要用于消費/住宅應用，Rogowski線圈在工業(yè)應用中的使用更廣泛。
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(shù)時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(shù)值，并可能重置脈沖計數(shù)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時無刻不在使用。因此，內(nèi)核不必總是處于通電狀態(tài)?！暗凸β誓Ｊ诫娏鳌睂缪葜匾慕巧ＴS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）。
另一個關注領域是SoC的啟動時間及相關的電流消耗。由于應用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關鍵。因此，此類SoC中使用的內(nèi)核比處理速度等其它因素更加重要。
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。滿足這項要求可以很簡單，只需要能夠檢測到是否有人試圖打開儀表蓋，或是否非法訪問SoC并更改計費軟件。
但是，也可能會非常復雜，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數(shù)據(jù)，這是GPRS/CDMA/ZigBee網(wǎng)絡解決方案的一部分。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型的解決方案。
對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動進行的，對安全性、防護和檢測的要求會很低，因為攻擊單個儀表不會影響其它儀表。因此，服務提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。
在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個電流路徑便可以檢測儀表蓋是否被打開。只要有人試圖打開儀表，該電流會被中斷，對于篡改電表的操作也是如此。
使用密碼保護SoC內(nèi)部寄存器可以防止有人未經(jīng)授權對SoC進行重新編程。除非有正確的密碼，否則無法重新編程，任何此類失敗的嘗試都會顯示為篡改企圖。
對于基于網(wǎng)絡的解決方案，僅僅通過檢測或簡單的密碼保護不能解決安全問題。需要更加嚴格的保護，因為儀表是網(wǎng)絡的一部分，如果一個節(jié)點（儀表）受到黑客攻擊，那么整個網(wǎng)絡都會暴露給黑客攻擊。
在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個層又進一步劃分為多個層。為了解決這些問題，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*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，這類通信模式會使儀表/儀表網(wǎng)絡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(shù)據(jù)。智能卡將數(shù)額存儲在其內(nèi)部存儲器中，插入儀表后，儀表會根據(jù)消耗量不斷扣除數(shù)額。
簡單的攻擊行為可能是對智能卡進行重新編程或復制。在這種情況下，防止此類篡改的一種方法是對存儲在智能卡里的數(shù)據(jù)（如真實性數(shù)據(jù)和數(shù)額）進行加密。儀表首先解密這些數(shù)據(jù)，然后再進行處理。
在智能卡上寫回數(shù)據(jù)時，會遵循同樣的加密流程。這樣，只要加密算法和加密密鑰沒有被暴露，儀表就會受到保護。事實上，無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，以保證安全性不會受到損害。
加密的類型和復雜性主要取決于所使用的通信協(xié)議類型。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性，同時，通過減少內(nèi)核開銷增強了芯片性能。
4 即時軟件更新
由于更換儀表涉及高昂費用，因此服務提供商希望儀表的使用時間能夠超過十年，甚至多達15年。因此，設計人員在設計SoC時應該使其硬件能夠滿足未來需求，如：收費方案變更、分時段計量、夏令時變更等，而不必更換儀表，也不會中斷為消費者提供的服務。
這向設計人員提出了兩個挑戰(zhàn)：一個挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時進行軟件升級，第二個挑戰(zhàn)是無縫切換到新固件，同時這種變化不會導致服務中斷。
第一步是確保在不需要切斷電源或關掉儀表的情況下將補丁從外部源轉(zhuǎn)移到SoC。第二步是在不關閉系統(tǒng)的情況下啟動該補丁，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(shù)據(jù)從外部加載器傳輸?shù)絊oC的方式與SoC之間的傳輸是不同的?；镜碾姳鞸oC可能沒有GPRS或以太網(wǎng)等高級外設。
在這種情況下，簡單的外設，如：SCI、SPI或I2C，可用來將數(shù)據(jù)（補丁）從外部源傳輸?shù)絊oC。然而，這會涉及內(nèi)核，因為內(nèi)核需要讀取外設的數(shù)據(jù)寄存器，然后執(zhí)行閃存寫入操作。
通過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(nèi)核能夠在將新軟件加載到存儲器的同時執(zhí)行其它任務?？梢允褂肈MA輕松地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ?，不需要?nèi)核介入。
然而，上面討論的所有方法都面臨一個重大挑戰(zhàn)：更新流程基本上是手動完成的，人們需要手動連接固件加載器和SPI、SCI或USB。這會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行固件更新。如果使用ZigBee收發(fā)器，通過手持設備就能夠建立與儀表的無線連接，確定其真實性，然后進行數(shù)據(jù)傳輸。這不會完全消除人工操作，但是通過加速整個操作過程，大大減少了手動操作。
其它模式，如：以太網(wǎng)、GPRS/GSM/CDMA、PLC等不需要任何人工介入。服務提供商的中央服務器會根據(jù)指令將軟件代碼傳輸?shù)絊oC，也會根據(jù)該指令建立網(wǎng)絡。對SoC進行編程，使其把接收到的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲器，然后軟件重置會發(fā)起軟件更新流程。
該問題涉及的另一部分是，要在不關閉系統(tǒng)的情況下從內(nèi)核執(zhí)行代碼。該架構可以支持啟動選項編程，可對SoC進行編程，從而在下一個低功率或軟件生成的重置時從另一個指定位置啟動。還可以使該架構選擇從RAM啟動，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，系統(tǒng)可以從RAM啟動，而不是從閃存啟動，然后新的更新將生效。
5 數(shù)據(jù)處理
隨著系統(tǒng)/解決方案推出越來越多的功能，儀表需要控制的任務和處理的數(shù)據(jù)也大幅增加。因此，根據(jù)應用和SoC內(nèi)核的負載，設計人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強大的DSP內(nèi)核，使應用（通信等）和計量部件不會互相影響。
通過在SoC中采用額外硬件，還可以分擔內(nèi)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(shù)據(jù)匯集器和計量網(wǎng)關受系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的影響最大，因為它們需要處理大量數(shù)據(jù)。同時，它們需要支持用戶接口，進一步增加了相關的數(shù)據(jù)處理復雜性和相應的要求。因此，未來可能會推出多核SoC以支持龐大的網(wǎng)絡。
6 更快速、更可靠的通信
測量消耗量只是問題的一部分（見圖2）。迄今為止，全球的大多數(shù)儀表都需要手動抄表。這是因為傳統(tǒng)儀表無法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動抄表不僅增加了運營成本，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(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x表網(wǎng)絡，以便實現(xiàn)自動抄表。電表抄表傳輸?shù)囊粋€主要問題是存在電噪聲。
圖2：解決方案的各種儀表聯(lián)網(wǎng)選項簡圖
因此，通信模式應能夠承受噪聲而不破壞數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)由于噪聲而失真，也能夠從接收數(shù)據(jù)包恢復。同時，所有此類加密都增加了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小。
因此，數(shù)據(jù)傳輸速度也很重要。目前，有多種數(shù)據(jù)傳輸模式。其中最常見的包括GPRS、以太網(wǎng)、電力線通信、ZigBee、紅外線收發(fā)器等。
通信模式將根據(jù)最終應用進行選擇，如ZigBee/IR（紅外線）收發(fā)器可能更適用于儀表與基站進行無線交互以傳輸數(shù)據(jù)的儀表網(wǎng)絡，基站把從許多儀表（復雜情況下為100米）收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到使用有線通信的中心站。更多信息詳見“新時代智能電表架構”。
工商網(wǎng)監(jiān)
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