突破嵌入式領(lǐng)域的智能計(jì)量技術(shù)

智能計(jì)量的主要驅(qū)動(dòng)力在于人類對(duì)未來(lái)能源和環(huán)境狀況的擔(dān)憂，對(duì)能源使用更智能的管理可減少浪費(fèi)，緩解人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力。智能計(jì)量的主要功能除了對(duì)能源消耗的測(cè)量、控制和對(duì)系統(tǒng)的故障的診斷外，還強(qiáng)調(diào)了不同系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，使嵌入式產(chǎn)品如MCU等，與無(wú)線技術(shù)緊密結(jié)合，是突破嵌入式技術(shù)的新興快速增長(zhǎng)領(lǐng)域。

MCU如何實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的智能性

飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale）是智能電表MCU產(chǎn)品的代表廠商之一，其于2010年初面向中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)智能電表的標(biāo)準(zhǔn)推出了MZ60系列MCU。隨后為滿足市場(chǎng)需求，飛思卡爾繼續(xù)擴(kuò)大其新一代智能MCU陣容，推出定位全球計(jì)量市場(chǎng)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(yīng)用的低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的8位MC9S08GW6微控器，和面向計(jì)量應(yīng)用的超低功耗LCD MCU—MC9S08LH64/36，同時(shí)大舉提高針對(duì)智能計(jì)量表市場(chǎng)的MCF51EM 32位ColdFire V1系列產(chǎn)量，為迅速開(kāi)發(fā)出符合不同要求的智能電表產(chǎn)品提供強(qiáng)大的專業(yè)技術(shù)支持。

智能計(jì)量繼續(xù)表現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。智能電網(wǎng)的普及為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇，智能電表受到產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)；但伴隨著對(duì)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(rèn)為，智能電表對(duì)MCU的技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)：系統(tǒng)成本、系統(tǒng)功耗、掉電和電表失效時(shí)的數(shù)據(jù)保存、防盜電、日趨復(fù)雜的電表設(shè)計(jì)對(duì)各種接口和通信模塊的需求、更加嚴(yán)格的EMC/EMI需求、與傳感器的接口、安全的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)能力等。另外從市場(chǎng)需求層面看，智能電表方案面臨的最大挑戰(zhàn)是成本，同時(shí)成本也是整個(gè)智能電網(wǎng)概念的最核心驅(qū)動(dòng)力，其牽動(dòng)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(dòng)了為這些環(huán)節(jié)提供方案的半導(dǎo)體廠商。

飛思卡爾工業(yè)和多元市場(chǎng)微控制器部亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理曾勁濤表示，智能電網(wǎng)需要以下幾個(gè)核心模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化：計(jì)量網(wǎng)關(guān)（Metering Gateway）、AMI（自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施）、AMM（自動(dòng)計(jì)量管理模塊）和AMR（自動(dòng)讀表）。其中計(jì)量網(wǎng)關(guān)為用戶提供寬帶網(wǎng)絡(luò)支持；AMI是智能電網(wǎng)的主干，可實(shí)現(xiàn)雙向電網(wǎng)和資源的優(yōu)化；AMM主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理和計(jì)費(fèi)，保證功耗等信息的質(zhì)量；AMR則為關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供支持，提供遠(yuǎn)程讀表功能，可配置為內(nèi)部或外部模塊（圖1）。

圖1，飛思卡爾的智能電網(wǎng)構(gòu)想，其可為AMI、AMM、AMR提供產(chǎn)品和技術(shù)。

德州儀器（TI）近期也將目光瞄準(zhǔn)成長(zhǎng)中的MCU市場(chǎng)。收購(gòu)Luminary后，TI構(gòu)建起完整的MCU產(chǎn)品陣營(yíng)。TI認(rèn)為，隨著汽車與工業(yè)電子等主力市場(chǎng)的逐漸回暖，消費(fèi)電子、智能家居、移動(dòng)計(jì)算、智能電表以及醫(yī)療電子等新興應(yīng)用市場(chǎng)迅猛發(fā)展，其在MCU領(lǐng)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(shí)時(shí)控制器等幾大平臺(tái)，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(yīng)用領(lǐng)域的MCU產(chǎn)品。

TI的16位MP430系列是TI廣泛用于智能電表的代表性MCU產(chǎn)品；其中MSP430FE42X系列將計(jì)量模塊直接嵌入在MSP430內(nèi)部，組成集成計(jì)量芯片的單向電表MCU方案，使電表的設(shè)計(jì)難度和成本都得到降低。當(dāng)然，MSP430FE42x并不是電能計(jì)量模塊與MSP430的簡(jiǎn)單結(jié)合，它還提供了對(duì)內(nèi)部模塊的控制。如果用在單相電表的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以直接啟動(dòng)內(nèi)部電能計(jì)量模塊ESP430；而對(duì)于其它需要16位A/D的產(chǎn)品時(shí)，則可以禁止ESP430模塊，直接對(duì)前置可變?cè)鲆娣糯笃骱虯/D轉(zhuǎn)換器控制，是其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有很大的靈活性。

MSP430FE42x具有三個(gè)通道獨(dú)立的16位Sigma-Delta架構(gòu)ADC，并非如通常單片機(jī)那樣采用模擬開(kāi)關(guān)切換分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。此外，MSP430FE42x還內(nèi)置16位計(jì)時(shí)器，LCD驅(qū)動(dòng)、14個(gè)I/O接腳、放盜電功能等。

DSP方案強(qiáng)調(diào)信號(hào)處理能力

除用于控制的MCU以外，具有強(qiáng)大信號(hào)處理能力的DSP也是智能電網(wǎng)的熱門產(chǎn)品，其中較有代表性的產(chǎn)品為ADI公司的Blackfin產(chǎn)品線。低成本Blackfin處理器具備處理儀表級(jí)原始實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)儀表和電網(wǎng)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(wǎng)，因此基于Blackfin的電表部件還能夠通過(guò)軟件輕松升級(jí)，以符合本地或國(guó)家特有的不同通信標(biāo)準(zhǔn)。

ADI認(rèn)為，智能儀表技術(shù)的真正受惠者是環(huán)境。在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能抄表的技術(shù)以合理的價(jià)位出現(xiàn)之前，現(xiàn)有的信息是不充足的，無(wú)法發(fā)現(xiàn)或者糾正能量浪費(fèi)行為。借助Blackfin的實(shí)時(shí)能量采集和通信能力，電力公司現(xiàn)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(guó)范圍的供電系統(tǒng)內(nèi)增加使用智能電表是實(shí)現(xiàn)精確、可靠的電能管理的關(guān)鍵。電費(fèi)單如果不僅包含每個(gè)月的電費(fèi)信息，還能明確列出按日期時(shí)間以及按耗電的電器分類所產(chǎn)生的電費(fèi)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(chǎng)景是，假定電力公司能夠借助采集的這些實(shí)時(shí)信息的能力，為那些將用電時(shí)間從用電高峰時(shí)段轉(zhuǎn)到非用電高峰時(shí)段的用戶提供大幅折扣，比如，在晚上九點(diǎn)而不是晚上六點(diǎn)半使用洗衣機(jī)的用戶回饋電能信用額度等。

ADI最新推出的Blackfin ADSP-BF592產(chǎn)品（詳細(xì)產(chǎn)品資訊，請(qǐng)見(jiàn)：超低成本DSP產(chǎn)品兼具數(shù)據(jù)處理與MCU功能）十分適用于智能電表等智能計(jì)量系統(tǒng)中。ADI公司處理器及DSP部門市場(chǎng)總監(jiān)Colin Duggan在采訪中表示，智能計(jì)量是能源系統(tǒng)升級(jí)的核心部分，其帶來(lái)的收益主要有以下幾個(gè)方面：對(duì)環(huán)境的保護(hù)和某些能源依賴性的降低，以及對(duì)能源利用更高的效率。目前美國(guó)等地區(qū)利用無(wú)線射頻方式實(shí)現(xiàn)抄表是一個(gè)很好的方式，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。各國(guó)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(wú)線抄表方式，還支持中國(guó)市場(chǎng)比較傾向的電力線PLC方式。其次，由于一塊智能電表的設(shè)計(jì)壽命可能達(dá)到10年~15年，這就要求除了硬件本身的高質(zhì)量、高可靠性，軟件升級(jí)功能也是必不可少的。最后，安全性是各國(guó)政府和電力機(jī)構(gòu)十分擔(dān)心的問(wèn)題，電表的設(shè)計(jì)要能與中央監(jiān)控室（Central Office）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，還要對(duì)電表的存儲(chǔ)加以保護(hù)。

Colin Duggan談到，Blackfin ADSP-BF592的豐富接口可以使設(shè)計(jì)者更方便地將其連接到各種設(shè)備及主處理器中。值得指出的是，由于Blackfin產(chǎn)品結(jié)合了DSP和MCU的功能，設(shè)計(jì)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(jiǎn)單應(yīng)用中甚至可以省去這部分成本而直接用一顆BF592同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和中央控制功能；而對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)或者有較大存儲(chǔ)空間的應(yīng)用，則需要外接一顆主控制芯片?；?Blackfin 的智能電表不僅能夠滿足目前的設(shè)計(jì)要求，而且還為下一代能量管理技術(shù)、整合新型全異電網(wǎng)設(shè)備以及用戶可選的用電信用額度應(yīng)用作好了準(zhǔn)備。隨著未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，這些應(yīng)用只需通過(guò)電網(wǎng)即可下載到基于 Blackfin 的儀表部件中，實(shí)現(xiàn)一種無(wú)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(shè)計(jì)。Colin Duggan介紹說(shuō)，西門子自動(dòng)抄表信息系統(tǒng)（AMIS）在其智能電表技術(shù)的核心利用ADI公司的Blackfin處理器。在AMIS設(shè)計(jì)階段初期，西門子公司就認(rèn)識(shí)到要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，智能電表就需要以較低的單價(jià)提供非凡的表內(nèi)處理能力、動(dòng)態(tài)和電網(wǎng)一體化通信以及真正的可擴(kuò)展性。西門子公司選擇了 Blackfin匯聚式處理器，這是因?yàn)樵撎幚砥骶邆渫瑫r(shí)作為DSP和MCU進(jìn)行無(wú)縫工作的能力，特別適合西門子AMIS的高處理和動(dòng)態(tài)通信應(yīng)用要求，并且實(shí)現(xiàn)了極具成本效益的計(jì)算性能，以及耗電信息統(tǒng)計(jì)的功能。這樣就同時(shí)給電力公司和用戶提供了管理電費(fèi)的能力并可最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約使用珍貴的電能資源。

Wi-Fi：早期參與 占據(jù)中國(guó)市場(chǎng)主動(dòng)

無(wú)線通信使智能計(jì)量和智能電網(wǎng)的概念進(jìn)一步延伸，并有望通過(guò)常用的技術(shù)擴(kuò)展到智能家居。通信技術(shù)廠商博通（Broadcom）就是這一概念的倡導(dǎo)者，其提出了突破傳統(tǒng)嵌入式應(yīng)用的“深入嵌入式技術(shù)”，主張將基于Wi-Fi技術(shù)廣泛用于現(xiàn)有的嵌入式產(chǎn)品中，例如家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與智能計(jì)量手段的結(jié)合。

博通公司表示，由于Wi-Fi在家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的高普及率，利用Wi-Fi作為智能計(jì)量的一部分具有很大的優(yōu)勢(shì)。拿電表舉例。目前智能電網(wǎng)后端（Backhaul）的抄表方案主要分為無(wú)線和有線兩種，前者利用紅外和ZigBee技術(shù)；后者利用電力線載波（PLC）。在抄表環(huán)節(jié)的前一個(gè)環(huán)節(jié)，則可利用Wi-Fi技術(shù)來(lái)收集家用電器的耗電數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2，基于博通Wi-Fi“深入嵌入式應(yīng)用”的智能計(jì)量方案。

電力載波信號(hào)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?shù)?。而ZigBee RF可在三五十米之內(nèi)傳輸，可穿越障礙物，其功耗低并且支持雙向傳輸（可調(diào)整電價(jià)）。

博通公司資深副總裁兼無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部總經(jīng)理Michael Hurlston認(rèn)為，目前美國(guó)市場(chǎng)以ZigBee作為主要的信息收集手段并不是因?yàn)閆igBee比Wi-Fi更加先進(jìn)或適用，而是在美國(guó)智能計(jì)量市場(chǎng)需要一種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)作為支撐時(shí)，Wi-Fi沒(méi)有及時(shí)提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。因此，美國(guó)市場(chǎng)對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)的選擇實(shí)際與技術(shù)無(wú)關(guān)，而是Wi-Fi沒(méi)有對(duì)智能電網(wǎng)投入應(yīng)有的注意力造成的，因此也導(dǎo)致Wi-Fi喪失了美國(guó)智能電網(wǎng)市場(chǎng)。所以，博通把目光轉(zhuǎn)向中國(guó)市場(chǎng)。“目前中國(guó)正處于智能電網(wǎng)建設(shè)的早期階段，各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選取尚未定型，早期的參與會(huì)使Wi-Fi占據(jù)更主動(dòng)的地位。”

Michael Hurlston還表示，除“先入為主”的市場(chǎng)選擇，即使不考慮其它因素，Wi-Fi在技術(shù)上也更優(yōu)于ZigBee。他說(shuō)，Wi-Fi廣泛用于家用電器。電視、PC等耗電設(shè)備由于已經(jīng)或即將具備Wi-Fi功能，功耗數(shù)據(jù)可無(wú)障礙地實(shí)現(xiàn)共享，對(duì)于空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電設(shè)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(chǎn)品中。

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