突破嵌入式領域的智能計量技術

智能計量的主要驅動力在于人類對未來能源和環(huán)境狀況的擔憂，對能源使用更智能的管理可減少浪費，緩解人類活動對環(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(tǒng)的故障的診斷外，還強調了不同系統(tǒng)間的互聯互通，使嵌入式產品如MCU等，與無線技術緊密結合，是突破嵌入式技術的新興快速增長領域。

MCU如何實現智能電網的智能性

飛思卡爾半導體（Freescale）是智能電表MCU產品的代表廠商之一，其于2010年初面向中國國家電網對智能電表的標準推出了MZ60系列MCU。隨后為滿足市場需求，飛思卡爾繼續(xù)擴大其新一代智能MCU陣容，推出定位全球計量市場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，同時大舉提高針對智能計量表市場的MCF51EM 32位ColdFire V1系列產量，為迅速開發(fā)出符合不同要求的智能電表產品提供強大的專業(yè)技術支持。

智能計量繼續(xù)表現出強勁的增長態(tài)勢。智能電網的普及為相關產業(yè)帶來巨大的發(fā)展機遇，智能電表受到產業(yè)拉動；但伴隨著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的技術挑戰(zhàn)主要有以下幾點：系統(tǒng)成本、系統(tǒng)功耗、掉電和電表失效時的數據保存、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、安全的現場升級能力等。另外從市場需求層面看，智能電表方案面臨的最大挑戰(zhàn)是成本，同時成本也是整個智能電網概念的最核心驅動力，其牽動了從電廠、傳輸，到最終端家庭用戶的所有環(huán)節(jié)，因此也牽動了為這些環(huán)節(jié)提供方案的半導體廠商。

飛思卡爾工業(yè)和多元市場微控制器部亞太區(qū)市場經理曾勁濤表示，智能電網需要以下幾個核心模塊來實現智能化：計量網關（Metering Gateway）、AMI（自動計量基礎設施）、AMM（自動計量管理模塊）和AMR（自動讀表）。其中計量網關為用戶提供寬帶網絡支持；AMI是智能電網的主干，可實現雙向電網和資源的優(yōu)化；AMM主要負責數據管理和計費，保證功耗等信息的質量；AMR則為關鍵環(huán)節(jié)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構想，其可為AMI、AMM、AMR提供產品和技術。

德州儀器（TI）近期也將目光瞄準成長中的MCU市場。收購Luminary后，TI構建起完整的MCU產品陣營。TI認為，隨著汽車與工業(yè)電子等主力市場的逐漸回暖，消費電子、智能家居、移動計算、智能電表以及醫(yī)療電子等新興應用市場迅猛發(fā)展，其在MCU領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實時控制器等幾大平臺，以低功耗、高通用性及高性能等不同特性，提供能滿足各種應用領域的MCU產品。

TI的16位MP430系列是TI廣泛用于智能電表的代表性MCU產品；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內部電能計量模塊ESP430；而對于其它需要16位A/D的產品時，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，是其在產品設計中有很大的靈活性。

MSP430FE42x具有三個通道獨立的16位Sigma-Delta架構ADC，并非如通常單片機那樣采用模擬開關切換分別進行轉換的方法。此外，MSP430FE42x還內置16位計時器，LCD驅動、14個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也是智能電網的熱門產品，其中較有代表性的產品為ADI公司的Blackfin產品線。低成本Blackfin處理器具備處理儀表級原始實時用電數據以及實現儀表和電網之間通信的能力，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，因此基于Blackfin的電表部件還能夠通過軟件輕松升級，以符合本地或國家特有的不同通信標準。

ADI認為，智能儀表技術的真正受惠者是環(huán)境。在實現實時智能抄表的技術以合理的價位出現之前，現有的信息是不充足的，無法發(fā)現或者糾正能量浪費行為。借助Blackfin的實時能量采集和通信能力，電力公司現在擁有了節(jié)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(tǒng)內增加使用智能電表是實現精確、可靠的電能管理的關鍵。電費單如果不僅包含每個月的電費信息，還能明確列出按日期時間以及按耗電的電器分類所產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。更為理想的場景是，假定電力公司能夠借助采集的這些實時信息的能力，為那些將用電時間從用電高峰時段轉到非用電高峰時段的用戶提供大幅折扣，比如，在晚上九點而不是晚上六點半使用洗衣機的用戶回饋電能信用額度等。

ADI最新推出的Blackfin ADSP-BF592產品（詳細產品資訊，請見：超低成本DSP產品兼具數據處理與MCU功能）十分適用于智能電表等智能計量系統(tǒng)中。ADI公司處理器及DSP部門市場總監(jiān)Colin Duggan在采訪中表示，智能計量是能源系統(tǒng)升級的核心部分，其帶來的收益主要有以下幾個方面：對環(huán)境的保護和某些能源依賴性的降低，以及對能源利用更高的效率。目前美國等地區(qū)利用無線射頻方式實現抄表是一個很好的方式，相關標準也在制定當中。各國智能電表方案差別很大，因此要考慮到區(qū)域性差異，除了支持無線抄表方式，還支持中國市場比較傾向的電力線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題，電表的設計要能與中央監(jiān)控室（Central Office）實現實時監(jiān)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）。例如在某些簡單應用中甚至可以省去這部分成本而直接用一顆BF592同時實現信號處理和中央控制功能；而對于復雜系統(tǒng)或者有較大存儲空間的應用，則需要外接一顆主控制芯片。基于 Blackfin 的智能電表不僅能夠滿足目前的設計要求，而且還為下一代能量管理技術、整合新型全異電網設備以及用戶可選的用電信用額度應用作好了準備。隨著未來標準的發(fā)展，這些應用只需通過電網即可下載到基于 Blackfin 的儀表部件中，實現一種無縫傳輸。

早在BF592之前，Blackfin就已被西門子采用用于智能電表的設計。Colin Duggan介紹說，西門子自動抄表信息系統(tǒng)（AMIS）在其智能電表技術的核心利用ADI公司的Blackfin處理器。在AMIS設計階段初期，西門子公司就認識到要實現這個目標，智能電表就需要以較低的單價提供非凡的表內處理能力、動態(tài)和電網一體化通信以及真正的可擴展性。西門子公司選擇了 Blackfin匯聚式處理器，這是因為該處理器具備同時作為DSP和MCU進行無縫工作的能力，特別適合西門子AMIS的高處理和動態(tài)通信應用要求，并且實現了極具成本效益的計算性能，以及耗電信息統(tǒng)計的功能。這樣就同時給電力公司和用戶提供了管理電費的能力并可最終實現節(jié)約使用珍貴的電能資源。

Wi-Fi：早期參與 占據中國市場主動

無線通信使智能計量和智能電網的概念進一步延伸，并有望通過常用的技術擴展到智能家居。通信技術廠商博通（Broadcom）就是這一概念的倡導者，其提出了突破傳統(tǒng)嵌入式應用的“深入嵌入式技術”，主張將基于Wi-Fi技術廣泛用于現有的嵌入式產品中，例如家庭無線網絡與智能計量手段的結合。

博通公司表示，由于Wi-Fi在家用無線網絡中的高普及率，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。目前智能電網后端（Backhaul）的抄表方案主要分為無線和有線兩種，前者利用紅外和ZigBee技術；后者利用電力線載波（PLC）。在抄表環(huán)節(jié)的前一個環(huán)節(jié)，則可利用Wi-Fi技術來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(wěn)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）。

博通公司資深副總裁兼無線局域網絡事業(yè)部總經理Michael Hurlston認為，目前美國市場以ZigBee作為主要的信息收集手段并不是因為ZigBee比Wi-Fi更加先進或適用，而是在美國智能計量市場需要一種無線通信標準作為支撐時，Wi-Fi沒有及時提供相應的標準來實現這一功能。因此，美國市場對這一標準的選擇實際與技術無關，而是Wi-Fi沒有對智能電網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市場。所以，博通把目光轉向中國市場。“目前中國正處于智能電網建設的早期階段，各種技術標準的選取尚未定型，早期的參與會使Wi-Fi占據更主動的地位。”

Michael Hurlston還表示，除“先入為主”的市場選擇，即使不考慮其它因素，Wi-Fi在技術上也更優(yōu)于ZigBee。他說，Wi-Fi廣泛用于家用電器。電視、PC等耗電設備由于已經或即將具備Wi-Fi功能，功耗數據可無障礙地實現共享，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品中。

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