基本智能儀表的組成模塊分析

　　圖1：2008～2012年間儀表需求量預(yù)測。

　　因此，許多企業(yè)正在嘗試開發(fā)SoC解決方案，都想抓住這一賺錢機會。本文旨在為設(shè)計基本公用儀表架構(gòu)提供指導，可解決現(xiàn)在基本公用計量的目標與應(yīng)用，包括用量計量、防篡改保護、時間記錄、儀表讀數(shù)顯示和傳送。

　　基本公用儀表組件

　　上述所有功能可通過圖2中的各個模塊實現(xiàn)。包括：模擬前端，用于計量電流和電壓(電表)或熱量(暖氣表)或模擬傳感器的輸出(流量計/煤氣表)；流量/煤氣測量單元，使用數(shù)字/模擬傳感器輸出計算使用量(流量計/煤氣表)；防篡改保護和檢測邏輯；RTC(實時時鐘)，用于記錄時間；通信外設(shè)，用于與外通信，如采用ZigBee收發(fā)器、射頻收發(fā)器或其他SoC；顯示屏驅(qū)動器，用于諸如顯示儀表讀數(shù)、日期時間及其它信息等數(shù)據(jù)；內(nèi)核功能，用于處理數(shù)據(jù)，計算用量以及執(zhí)行其它任務(wù)；存儲器，用于保存儀表讀數(shù)、篡改時間等數(shù)據(jù)。

　　圖2：公用儀表的組成模塊。

　　下面讓我們來詳細探討各個模塊。

　　模擬前端(感應(yīng)和計量輸入)：我們需要計量所有三相的輸入電壓和電流、中性線電流，才能計算用電量。這些數(shù)據(jù)可使用電流互感器和傳感器輕松計量。

　　所有這些數(shù)據(jù)都饋入模擬模塊，包括可安裝在SoC外的可編程增益放大器(PGA)、濾波器和ADC(圖3)。將電路互感器或傳感器的原始輸入值饋入PGA，然后經(jīng)過過濾及必要的多路復(fù)用處理后饋入ADC。多路復(fù)用可以是ADC的一部分。這些ADC計量上述數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳送給內(nèi)核處理功能。

　　圖3：模擬接口。

　　有時，電流互感器和傳感器的輸出不在ADC要求的范圍內(nèi)，不符合轉(zhuǎn)換的精確性要求。在這種情況下，使用PGA來擴大輸入值范圍，以提供所要的結(jié)果。根據(jù)使用情況及SoC成本，這些PGA既可安裝在SoC內(nèi)部，也可安在外部，因為它們的耗電更大，也會產(chǎn)生大量的片內(nèi)噪聲。

　　使用濾波器清除輸入信號中的噪聲成分。使用50至60赫茲中心頻率的帶通(BP)濾波器來傳遞所要的結(jié)果，以方便電表計量。單相電表在SoC上有兩個ADC，分別用于計量電流與電壓。每增加一個相位，ADC的數(shù)量也加1。

　　這種情況下選擇ADC特別困難(計量)。準確度、功耗和速度是決定ADC選擇的主要因素。最常見的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)兩種ADC。

　　兩種ADC各有優(yōu)劣。因此，ADC的選擇在很大程度上取決于SoC的用途與預(yù)算。SAR ADC使用采樣保持技術(shù)。它們在特定的時刻捕獲輸入數(shù)據(jù)，然后不斷將數(shù)據(jù)與內(nèi)部DAC輸入值對比，進一步調(diào)整內(nèi)部DAC輸入值，使其接近捕獲的輸入值。每次轉(zhuǎn)換時，相應(yīng)的DAC輸出值被數(shù)字化并保存在SAR寄存器中。

　　SAR ADC的分辨率較好，第一次轉(zhuǎn)換延遲較低，取值范圍較大。它們對于輸入通道值的變化很敏感，而輸入通道的帶寬又極高。但是，這些類型的ADC由于重復(fù)減除和對比而存在線性誤差。

　　在SD ADC中，在某段時間內(nèi)過度采樣輸入信號，然后過濾所要的信號頻帶，然后平均數(shù)字化。SD ADC是反饋閃爍型ADC。它們利用閃爍型ADC的高轉(zhuǎn)換速度，其轉(zhuǎn)換時間短至數(shù)納秒，用于8位操作。閃爍型ADC的結(jié)果存在大量錯誤。然后反饋此輸出，并從輸入值中減去輸出值。這將導致噪聲整形，從而降低噪音[參考文獻4]。

　　因此，SD ADC的噪聲響應(yīng)比SAR ADC好，因為SAR ADC只抽取單點樣本。但是，SAR ADC的輸入響應(yīng)優(yōu)于SD ADC。因此，當應(yīng)用需要快速響應(yīng)、低延遲以及多通道數(shù)據(jù)捕獲時，SAR更合適。但如果是在嘈雜的環(huán)境中，需要高精確度和高分辨率，則應(yīng)該選擇SD ADC[參考5]。通常在計量應(yīng)用中，低端解決方案有SAR ADC，而高端SoC則有SD ADC，以提供更加抗噪的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　內(nèi)核與存儲器(計算與保存用量數(shù)據(jù))：涉及用量數(shù)據(jù)的密集型計算，通常由核心功能來完成。計量涉及有功功率、無功功率、負荷因子和實際功率的計量。有功功率是電壓與電流同相時的功率的組成部分。如果不同相，則屬于無功功率。電感或電容性負荷的電流分別落后和超前于電壓。

　　盡管無功功率無助于任何功率傳輸，并且純無功負荷的凈能量流為零，則此無功功率會產(chǎn)生大量的熱。這就需要更高質(zhì)量的電流互感器和更粗的電線，以傳送更大的電流，同時還會產(chǎn)生更多的熱量，這一切都會導致能量分布成本的提高。

　　圖4：電壓、電流、功率和平均功率的關(guān)系。[資料來源：維基百科]

　　因此，如果消費者使用無功負荷，能源提供商會向其收取罰金，罰金等于實際能耗除以功率因子。由于功率因子(負荷因子)總是小于1，此算法可有效增加消費者的PCU。

　　這就是要計算負荷因子的原因，負荷因子用于計算視功率。視功率等于實際功率與負荷因子比，實際功率是等于電流值和電壓值的平方根的積。

　　上述內(nèi)容說明，對于計量應(yīng)用，核心功能須進行大量的計算處理，如計算電流值和電壓值的平方根、平方根的積，然后就平均值等。因此，計量應(yīng)用的選擇核心是DSP核心，因為它能快速完成數(shù)學運算。

　　有時，核心上的此處理負荷也可以分流，方法是在平臺上添加一個MAC(乘/加)模塊，由該模塊完成大部分計算。同時，釋放核心，用于其它運算，如通信、顯示和監(jiān)控(主要用于智能計量)。

　　片內(nèi)存儲器對于計價也起著重大作用。存儲器大小范圍低至256B內(nèi)存和8kB閃存，高至26kB內(nèi)存和264kB閃存，具體取決于應(yīng)用。在稍微更高級的應(yīng)用中，可能需要高達2MB閃存和512kB內(nèi)存[參考文獻6]。

　　流量/煤氣計量邏輯：該模塊可包括可編程計數(shù)器、比較器和一個脈沖寬度調(diào)制器等。氣體/液體流速可用數(shù)字旋轉(zhuǎn)傳感器(數(shù)字輸出)或模擬旋轉(zhuǎn)傳感器(模擬輸出)來計量。

　　如果使用數(shù)字傳感器，傳感器的脈沖列輸出饋入模塊中的計數(shù)器，計數(shù)器值增加。此計數(shù)對應(yīng)于消費者的能耗，可定期讀取。如果使用模擬傳感器，可用比較器生成一系列脈沖，它們將饋入此模塊中的計數(shù)器。

　　顯示和傳送儀表讀數(shù)：計量應(yīng)用的另一個重要方面是顯示和傳送儀表讀數(shù)，以便向消費者收取費用。可能最常用7段液晶玻璃顯示屏來顯示當前的儀表讀數(shù)。它顯示計數(shù)器的當前值，以便操作員記下儀表讀數(shù)。

　　某些SoC中可能包含液晶驅(qū)動芯片，因此使用外置液晶驅(qū)動芯片。這些情況下，SoC需要將數(shù)據(jù)傳送到驅(qū)動芯片。這可通過SoC上的通信外設(shè)來完成，使用一個I2C、SPI、UART接口和協(xié)議。

　　儀表讀數(shù)也能通過ZigBee收發(fā)器或紅外收發(fā)器，無線傳送到遠程液晶驅(qū)動芯片或數(shù)據(jù)記錄分站。這種情況下，可能需要調(diào)制傳送數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送給發(fā)送機(如紅外通信)。這只需使用脈沖寬度調(diào)制器等外設(shè)進行想要的調(diào)制，即可輕松完成。然后將對應(yīng)的調(diào)制載波發(fā)送到SPI，SPI再將數(shù)據(jù)加載到載波上，并將載波從SoC發(fā)出。

　　防篡改保護和時間記錄：防竊保護對于計量應(yīng)用至關(guān)重要，因為它可防止供應(yīng)商/經(jīng)銷商受到商業(yè)損失。消費者可能嘗試篡改儀表，使之停止或倒轉(zhuǎn)，從而使儀表讀數(shù)小于實際用量。因此，這對于防止此類行為起到了非常重要的作用。

　　給SoC添加檢測篡改的功能有好幾種方法。但是，對于計量應(yīng)用，最有效的方法是將該功能與實時時鐘相集成。這樣，只需用一個模塊就能有效地檢測到篡改及相應(yīng)的日期時間戳。任何篡改嘗試都會與篡改事件時間戳一起記錄在內(nèi)部存儲器中。

　　儀表還能通過某個閃爍的LED提示篡改情況，或者在液晶顯示屏上顯示篡改事件及其時間戳。這樣，當抄表員來抄表時，就可以采取措施進行糾正。

　　時間記錄功能也很重要，因為儀表必須定期求平均值，具體間隔時間取決于應(yīng)用。為此，RTC可通過定期中斷指示核心完成上述操作。根據(jù)開放式計量系統(tǒng)規(guī)范指南，表1顯示了求平均值的間隔時間：

　　表1：不同應(yīng)用的平均持續(xù)時間。

　　RTC還可實施一個機制，只允許經(jīng)過授權(quán)的人員訪問其寄存器，從而防止RTC寄存器受到黑客攻擊(禁用篡改檢測等功能)。而且，RTC也應(yīng)該能夠在出現(xiàn)主電源故障時運行在電池模式下。這樣，即使斷電，儀表也能照常執(zhí)行篡改檢測的關(guān)鍵任務(wù)。

　　但是，這就需要一個低功耗運行的設(shè)計架構(gòu)，使儀表電池能夠在正常運轉(zhuǎn)下維持較長的使用壽命。這對于只使用電池工作的流量計/煤氣表特別重要。這種情況下，SoC的電池使用壽命至少要達到十至十五年。

　　這樣，在設(shè)計SoC時應(yīng)該考慮某些問題，包括在停止模式下耗電的功能模塊、核心功能從停止模式啟動所需的時間以及停止模式恢復(fù)的電流消耗。同時，停止模式下的電流消耗量也至關(guān)重要，因為關(guān)系到SoC的停止模式耗電量。當前業(yè)界典型的停止模式電流大約為0.5uA，典型的正常運轉(zhuǎn)電流大約為4.3mA。

　　發(fā)展前景

　　前文探討了一個典型的低端基本公用儀表架構(gòu)。但是，上述所有功能與模塊并不是計量SoC的最終發(fā)展目標，它們只是關(guān)于計量應(yīng)用未來發(fā)展的一些啟示。

　　越來越多的USB和以太網(wǎng)等外設(shè)將集成到下一代計量SoC(即智能儀表)中。當前，公用儀表不僅執(zhí)行計量、保護等功能，而且還執(zhí)行其它多種任務(wù)：例如，它能通過一個智能觸摸屏與消費者進行交互，并顯示當前的能耗。它還能監(jiān)控家庭/辦公室的每個設(shè)備，并提示每個設(shè)備的能耗。通過互聯(lián)網(wǎng)，消費者可以遠程操縱設(shè)備，例如，在辦公室打開家里的空調(diào)，這樣一到家里就能感受到清涼舒適的效果。

　　同時，AMR(自動抄表)正在經(jīng)歷一個長期的革命階段，可安裝預(yù)付費儀表，使用IR/ZigBee收發(fā)器或通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS來抄表。智能電網(wǎng)也將在抄表、故障定位等方面給計量技術(shù)帶來革命性變化。這必將成為“智能計量”的開端。