GreenFire系統(tǒng):智能電網(wǎng)的核心

為了提高能源使用效率，一種名為虛擬能源賬戶的新形態(tài)能源記賬系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，用于處理個人、家庭或公司所有的發(fā)電量和消費(fèi)。虛擬能源賬戶使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成全部所需要的各種信息。

智能系統(tǒng)

GreenFire系統(tǒng)包含有關(guān)能源使用及計賬的新方法。GreenFire系統(tǒng)由兩個要件構(gòu)成：傳感器和服務(wù)器。傳感器負(fù)責(zé)測量其所附著裝置的功率流。GreenFire傳感器硬件設(shè)計有多種可選擇的技術(shù)。最合適的是基于Microsemi的SmartFusion系列的設(shè)計。

每個SmartFusion器件包含一個ARMCortex-M3微控制器子系統(tǒng)，一個內(nèi)建緊密結(jié)合的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和SRAM區(qū)塊，以及一個可編程模擬區(qū)塊。通過結(jié)合3個主要的電子硬件，SmartFusion能夠把傳感器放入插頭和電器內(nèi)部高度集成。而安全性則是SmartFusion器件設(shè)計和制造時與生俱來的功能。

Cortex-M3是ARM專門用于控制應(yīng)用的處理器內(nèi)核。SmartFusionCortex-M3和SRAM的工作速度為100MHz，零等待時間。在每個SmartFusion器件中，有兩個獨立零等待狀態(tài)的嵌入式SRAM區(qū)塊和一個針對使用者的嵌入式非易失性閃存大區(qū)塊。標(biāo)準(zhǔn)硬件外設(shè)包括一個10/100MbpEthernetMAC，SPI、I2C和UART串行埠各兩個，兩個32位定時器和一個32位看門狗定時器。

在GreenFire傳感器中，F(xiàn)PGA架構(gòu)被用于實現(xiàn)某些DSP算法，如快速傅立葉變換(FFT)。電力線的電壓和電流通過芯片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣與數(shù)字化。采樣序列透過FFT來決定某些指標(biāo)，如功率因數(shù)和諧波含量。在某些情況下，監(jiān)測中的系統(tǒng)是否正?？梢杂煞治龀鰜淼膮?shù)來判斷，預(yù)先示警可以避免潛在的災(zāi)難性故障發(fā)生。在FGPA架構(gòu)中執(zhí)行FFT算法，比在微控制器中執(zhí)行，保留更多時間。此外，一個專屬的硬件FFT控制器，比在通用微處理器架構(gòu)上執(zhí)行相同工作的軟件更快、更省電。

可信任架構(gòu)

GreenFire傳感器內(nèi)的SmartFusion器件所具有的安全功能，提供了傳感器硬件的可信任架構(gòu)(rootoftrust)。它會檢查儲存在用戶可存取的內(nèi)存內(nèi)的程序簽名，以確保程序代碼沒有被篡改。

Flash的運(yùn)用，成為基于SmartFusion架構(gòu)的GreenFire系統(tǒng)重要的安全基礎(chǔ)。它可以保存芯片上用來建立安全網(wǎng)絡(luò)通信的加密密鑰和證書。SmartFusion內(nèi)建的篡改檢測電路，使入侵者的工作變得更加困難。要進(jìn)一步保護(hù)重要程序代碼的安全，SmartFusion器件包含一個專屬的硬件加速解密引擎，可以安全地加載。

設(shè)計流程

采用與SmartFusion器件和GreenFire所使用的軟硬件環(huán)境相符合的概念模型技術(shù)，可以進(jìn)一步加快開發(fā)的速度。GreenFireWorkbench使用Mathworks發(fā)行的MATLAB和Simulink工具來設(shè)計。

首先，設(shè)計可以直接用文字描述的硬件描述語言(hardwaredescriptionlanguage，HDL)，如Verilog或VHDL。主要的鏈接庫區(qū)塊，如FFT或GPIO，可從MicrosemiSoC產(chǎn)品部網(wǎng)站獲得。Microsemi還提供MentorGraph的ModelSimVerilog和VHDL仿真器，可以進(jìn)行寄存器傳輸級(registertransferlevel，RTL)和門級(后期合成)的邏輯仿真。

另一種設(shè)計方法，特別適合于需要大量DSP的設(shè)計，是使用Simulink和SynphonyHLSAEDSP區(qū)塊鏈接庫和生成工具插件。MicrosemiFPGA的用戶可以免費(fèi)使用Synopsys工具，可以在Simulink內(nèi)抓取和模擬參數(shù)化的區(qū)塊圖，并用于自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)化過后的Verilog或VHDL，供下游合成工具使用。

當(dāng)FPGA的設(shè)計以一種或多種上述提到的方法產(chǎn)生VHDL或Verilog后，就可以使用SynopsysSynplifyPro編譯程序來合成電路，將設(shè)計從RTL轉(zhuǎn)換到門級。然后，利用LiberoIDE的布局和布線工具來完成在某個特定器件上的實際電路制作，這包括時序收斂和功率分析。剩下的就是完成處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。

為了提升效率，電力網(wǎng)絡(luò)必須改善并變得更加智能。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，再加上一個安全、高集成的硬件平臺，可以降低能源消耗，優(yōu)化消費(fèi)，降低消費(fèi)者的成本。基于MicrosemiSmartFusioncSoC的GreenFire系統(tǒng)可以作為這種新型智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。