智能計(jì)量的設(shè)計(jì)方案

企業(yè)和工程師要設(shè)計(jì)出符合不斷眼睛的全球標(biāo)準(zhǔn)的智能計(jì)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，還面臨著許多挑戰(zhàn)。

很多時(shí)候，開發(fā)計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)人員甚至沒有意識(shí)到計(jì)量解決方案所面對(duì)的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，使產(chǎn)品因?yàn)樾〉脑O(shè)計(jì)缺陷而無法用于最終解決方案。

本文將介紹計(jì)量SoC設(shè)計(jì)中的一些主要問題，并提出一些能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的解決方案。同時(shí)，本文還使SoC設(shè)計(jì)人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應(yīng)對(duì)并設(shè)計(jì)出有效的解決方案。

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計(jì)量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因?yàn)榉?wù)提供商絕不會(huì)采用無法準(zhǔn)確測(cè)量的儀表。精確度對(duì)于電表應(yīng)用來說尤為重要，因?yàn)榕c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(cè)量電流和電壓的電平(因?yàn)槠釧DC會(huì)增加最終解決方案的價(jià)格)。另一方面，燃?xì)饬髁坑?jì)使用片外傳感器感應(yīng)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(duì)SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對(duì)于電能計(jì)量，精確度取決于兩個(gè)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(duì)電壓和電流的測(cè)量精度。

因此，對(duì)于燃?xì)?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(duì)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(kuò)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(jì)量應(yīng)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使用過采樣技術(shù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，并執(zhí)行轉(zhuǎn)換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應(yīng)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(shí)，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時(shí)間-穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)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(yīng)用，快速切換通道會(huì)導(dǎo)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(wěn)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(fù)載線接口能耗計(jì)算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運(yùn)算。確定輸入負(fù)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(cè)量。

電流和電壓測(cè)量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算。這種“電流測(cè)量”過程的一個(gè)限制是需要有能夠直接測(cè)量電流的低成本ADC。

另一種選擇是使用已知的負(fù)載電阻將該電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后通過ADC測(cè)量該電壓，它對(duì)應(yīng)于實(shí)際的電流消耗。這為電流測(cè)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(cè)量。一些使用最廣泛的技術(shù)包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器。

分流電阻器技術(shù)使用放置在負(fù)載電流線路上的小(分流)電阻器。當(dāng)負(fù)載電流通過該電阻時(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(cè)量相應(yīng)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(fù)載電流(已消耗電流)磁通在二級(jí)CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過負(fù)載電阻器，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

Rogowski線圈是另一種測(cè)量電流的方法(見圖1)。這類線圈對(duì)于變化較大的電流也有不錯(cuò)的測(cè)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(yīng)電流值的原因。

圖1：Rogowski線圈結(jié)構(gòu)。

對(duì)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)很難滿足高電流測(cè)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(shù)測(cè)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(cè)量范圍比CT小，對(duì)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(diǎn)?？紤]到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費(fèi)/住宅應(yīng)用，Rogowski線圈在工業(yè)應(yīng)用中的使用更廣泛。

挑戰(zhàn)2：電流消耗

SoC的電流消耗是影響應(yīng)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(yùn)行的應(yīng)用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃?xì)庥?jì)/流量計(jì)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(yīng)用對(duì)電流更加敏感。這一特性非常重要，因?yàn)橛?jì)量表的平均使用壽命約為15年，客戶當(dāng)然不希望每隔幾年就更換電池。

因此，與電表相比，燃?xì)?流量計(jì)應(yīng)用對(duì)這些限制更加敏感。在典型燃?xì)?流量計(jì)解決方案中，儀表大多數(shù)時(shí)間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計(jì)算能量消耗，存儲(chǔ)數(shù)值，并可能重置脈沖計(jì)數(shù)器等。

另外，燃?xì)?水/熱量的消耗模式不同于電能，因?yàn)樗鼈儾幌耠娔菢訜o時(shí)無刻不在使用。因此，內(nèi)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(rèn)為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機(jī)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(yīng)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SoC中使用的內(nèi)核比處理速度等其它因素更加重要。

挑戰(zhàn)3：安全、防護(hù)和檢測(cè)

安全性、篡改保護(hù)和檢測(cè)性能主要取決于最終應(yīng)用的復(fù)雜性。滿足這項(xiàng)要求可以很簡(jiǎn)單，只需要能夠檢測(cè)到是否有人試圖打開儀表蓋，或是否非法訪問SoC并更改計(jì)費(fèi)軟件。

但是，也可能會(huì)非常復(fù)雜，要讓連接以太網(wǎng)的儀表能夠防止黑客攻擊或保護(hù)儀表中的用戶數(shù)據(jù)，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?yàn)橛?jì)量能夠或應(yīng)該能夠支持不同類型的解決方案。

對(duì)于獨(dú)立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量解決方案的一部分，抄表和計(jì)費(fèi)都是手動(dòng)進(jìn)行的，對(duì)安全性、防護(hù)和檢測(cè)的要求會(huì)很低，因?yàn)楣魡蝹€(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(cè)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(cè)儀表蓋是否被打開。只要有人試圖打開儀表，該電流會(huì)被中斷，對(duì)于篡改電表的操作也是如此。

使用密碼保護(hù)SoC內(nèi)部寄存器可以防止有人未經(jīng)授權(quán)對(duì)SoC進(jìn)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(huì)顯示為篡改企圖。

對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案，僅僅通過檢測(cè)或簡(jiǎn)單的密碼保護(hù)不能解決安全問題。需要更加嚴(yán)格的保護(hù)，因?yàn)閮x表是網(wǎng)絡(luò)的一部分，如果一個(gè)節(jié)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(jì)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。這類通信對(duì)安全性提出了很高的要求。因?yàn)樵谒型ㄐ拍Ｊ疆?dāng)中，這類通信模式會(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(yù)付費(fèi)計(jì)量為例。這種解決方案使用SPI(串行外設(shè)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(chǔ)在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中，插入儀表后，儀表會(huì)根據(jù)消耗量不斷扣除數(shù)額。

簡(jiǎn)單的攻擊行為可能是對(duì)智能卡進(jìn)行重新編程或復(fù)制。在這種情況下，防止此類篡改的一種方法是對(duì)存儲(chǔ)在智能卡里的數(shù)據(jù)(如真實(shí)性數(shù)據(jù)和數(shù)額)進(jìn)行加密。儀表首先解密這些數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行處理。

在智能卡上寫回?cái)?shù)據(jù)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有被暴露，儀表就會(huì)受到保護(hù)。事實(shí)上，無論采用哪種通信方式，幾乎所有的計(jì)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。

加密的類型和復(fù)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(fù)雜的加密。因此，還采用了特殊硬件以降低軟件依賴性，同時(shí)，通過減少內(nèi)核開銷增強(qiáng)了芯片性能。

挑戰(zhàn)4：即時(shí)軟件更新

由于更換儀表涉及高昂費(fèi)用，因此服務(wù)提供商希望儀表的使用時(shí)間能夠超過十年，甚至多達(dá)15年。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)SoC時(shí)應(yīng)該使其硬件能夠滿足未來需求，如：收費(fèi)方案變更、分時(shí)段計(jì)量、夏令時(shí)變更等，而不必更換儀表，也不會(huì)中斷為消費(fèi)者提供的服務(wù)。

這向設(shè)計(jì)人員提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)：一個(gè)挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時(shí)進(jìn)行軟件升級(jí)，第二個(gè)挑戰(zhàn)是無縫切換到新固件，同時(shí)這種變化不會(huì)導(dǎo)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(bǔ)丁從外部源轉(zhuǎn)移到SoC。第二步是在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下啟動(dòng)該補(bǔ)丁，使新固件可以生效。

但是，取決于SoC的復(fù)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(jí)外設(shè)。

在這種情況下，簡(jiǎn)單的外設(shè)，如：SCI、SPI或I2C，可用來將數(shù)據(jù)(補(bǔ)丁)從外部源傳輸?shù)絊oC。然而，這會(huì)涉及內(nèi)核，因?yàn)閮?nèi)核需要讀取外設(shè)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(chǔ)器和外部世界的外設(shè)，可以最大程度地降低這項(xiàng)要求。這樣，內(nèi)核能夠在將新軟件加載到存儲(chǔ)器的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)。可以使用DMA輕松地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器，不需要內(nèi)核介入。

然而，上面討論的所有方法都面臨一個(gè)重大挑戰(zhàn)：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(fèi)用。

使用ZigBee收發(fā)器、GPRS/GSM/CDMA、以太網(wǎng)、PLC等高級(jí)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，通過手持設(shè)備就能夠建立與儀表的無線連接，確定其真實(shí)性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這不會(huì)完全消除人工操作，但是通過加速整個(gè)操作過程，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(jù)指令將軟件代碼傳輸?shù)絊oC，也會(huì)根據(jù)該指令建立網(wǎng)絡(luò)。對(duì)SoC進(jìn)行編程，使其把接收到的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)器，然后軟件重置會(huì)發(fā)起軟件更新流程。

該問題涉及的另一部分是，要在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下從內(nèi)核執(zhí)行代碼。該架構(gòu)可以支持啟動(dòng)選項(xiàng)編程，可對(duì)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(gòu)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(fù)時(shí)，系統(tǒng)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(zhàn)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(wù)和處理的數(shù)據(jù)也大幅增加。因此，根據(jù)應(yīng)用和SoC內(nèi)核的負(fù)載，設(shè)計(jì)人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強(qiáng)大的DSP內(nèi)核，使應(yīng)用(通信等)和計(jì)量部件不會(huì)互相影響。通過在SoC中采用額外硬件，還可以分擔(dān)內(nèi)核的計(jì)算工作量，額外的硬件只負(fù)責(zé)各種計(jì)算工作，因?yàn)橛?jì)量應(yīng)用是高度計(jì)算密集型的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)匯集器和計(jì)量網(wǎng)關(guān)受系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的影響最大，因?yàn)樗鼈冃枰幚泶罅繑?shù)據(jù)。同時(shí)，它們需要支持用戶接口，進(jìn)一步增加了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜性和相應(yīng)的要求。因此，未來可能會(huì)推出多核SoC以支持龐大的網(wǎng)絡(luò)。

挑戰(zhàn)6：更快速、更可靠的通信

測(cè)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(dòng)抄表。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀表無法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動(dòng)抄表不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還容易引入人為錯(cuò)誤。

因此，對(duì)于有效的解決方案，儀表還應(yīng)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(luò)，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。電表抄表傳輸?shù)囊粋€(gè)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(xiàng)簡(jiǎn)圖。

因此，通信模式應(yīng)能夠承受噪聲而不破壞數(shù)據(jù)。因此，儀表應(yīng)能夠以支持錯(cuò)誤檢測(cè)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(fù)。同時(shí)，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(yīng)用進(jìn)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(jìn)行無線交互以傳輸數(shù)據(jù)的儀表網(wǎng)絡(luò)，基站把從許多儀表(復(fù)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(shí)代智能電表架構(gòu)”。

本文小結(jié)

如今，計(jì)量演進(jìn)的速度非常驚人，設(shè)計(jì)人員需要做好準(zhǔn)備，預(yù)見將來會(huì)出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)。除非設(shè)計(jì)人員積極應(yīng)對(duì)問題和挑戰(zhàn)，否則我們將無法提供既能夠滿足未來需求又能塑造未來世界的產(chǎn)品。一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是提供能夠解決上述問題和其它問題的單芯片解決方案。前面提到的問題僅僅是個(gè)開始，我們還將面臨更多的問題。