利用SoC電表計量芯片提升電表設計

由于生活水平的提升，用電需求增加，對電力的應用也更加多元化，加上各國政府大力倡導智能電網(wǎng)，因此電表數(shù)字化勢在必行。但僅將電表數(shù)字化已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在與未來的需求。增加通訊接口以便于自動讀表(AMR)，需求預估與管理控制、費率更新與分時電價的先進電網(wǎng)架構(gòu)(AMI)，以及用于未來電網(wǎng)自我診斷修復的智能電網(wǎng)架構(gòu)(Smart Grid)，都在顯示未來電表新功能的需求與復雜度的增加。

現(xiàn)有數(shù)字電表的設計多以單片機搭配專用計量芯片為主。其優(yōu)點是單片機與計量芯片的選擇多，沒有供貨的問題。但由于計量芯片其計量功能都已固定無法更改，如果有需要則須將計量芯片的電力數(shù)據(jù)回傳至單片機上，再通過單片機加以處理。但這種方式會造成時序上的延遲，因此無法及時反映實時的電力狀況。再加上周邊接口控制的復雜度，其單片機負荷與軟件編寫上有一定的復雜度。

目前已有很多芯片制造商推出的SoC的計量芯片，雖然規(guī)格上略有不同，但都是將電表目前所使用的功能集成于單一芯片中，如計量取樣、單片機、液晶屏幕控制接口、實時時鐘(RTC)、GPIO與通訊接口等?？赏ㄟ^單片機和內(nèi)部的寄存器設定，簡單快速地控制所有的外圍功能模塊，而無需再通過復雜的GPIO、SPI或I2C接口來控制計量芯片、RTC 芯片與液晶驅(qū)動芯片等。這樣可以降低電表軟件開發(fā)的復雜度，降低單片機內(nèi)存的需求，并提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。



用SoC計量單芯片所設計的電表系統(tǒng)，可大幅降低電表的零件成本與系統(tǒng)設計的復雜度以及功耗，并提升整體的穩(wěn)定性與電表精度。較少的零件，可降低零件備貨的復雜度、使系統(tǒng)設計單純化并加速更新設計的速度、更簡易的除錯與硬件開發(fā)、降低芯片與芯片間的相互干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定度、使軟件開發(fā)的復雜程度降低等。可見其優(yōu)點與傳統(tǒng)設計有大幅不同。

現(xiàn)在對傳統(tǒng)多芯片的設計方式與SoC設計方式進行對比。圖1為飛思卡爾針對中國國家電網(wǎng)電表系統(tǒng)所提出的系統(tǒng)架構(gòu)圖，在系統(tǒng)架構(gòu)圖中，需要有一塊CS5463的計量芯片、9S08MZ60單片機、RTC芯片、LCD驅(qū)動芯片以及ESAM 與 EEPROM 芯片等。由總數(shù)六個以上的獨立芯片構(gòu)成電表系統(tǒng)。



圖2是以 Prolific PM8443所構(gòu)成的中國國家電網(wǎng)電表系統(tǒng)。在該電表系統(tǒng)中，PM8443集成了計量芯片、8051單片機、實時時鐘與液晶屏幕驅(qū)動芯片。該架構(gòu)大幅降低芯片的使用個數(shù)，由六個芯片降低為三個(PM8443、EEPROM與ESAM)，這三個芯片為無法相互整合的芯片。與先前的系統(tǒng)比較起來，使用SoC芯片電表系統(tǒng)更簡潔，更容易開發(fā)并有效地降低了成本。

Prolific PM8443芯片架構(gòu)中采用的是雙核架構(gòu)，可編程的計量DSP與高效能8051單片機。DSP與單片機采用獨立運作模式，互相不干擾。單片機可將其全部的計算效能用于程序與外圍接口的控制上。此外，PM8443 8051單片機擁有額外的32位數(shù)學運算加速器，若單片機要計算更為復雜的電力參數(shù)，可通過該數(shù)學運算加速器加速單片機的計算效率?？删幊藾SP與一般固定功能的計量芯片不同，可根據(jù)不同的應用需求調(diào)整DSP的軟件內(nèi)容。使用單一SoC芯片，可應用于不同的電表設計上，降低零件備料數(shù)目與庫存管理。PM8443 DSP還可提供實時的電源保護功能，包括針對過壓、過流、短路、漏電、過溫等的實時電源保護機制，能夠?qū)崟r反應電力使用狀況，保護不延遲?？捎糜陬A付費電表與電動車充電電表上，讓電表的設計更有別于一般的電表系統(tǒng)。最后，PM8443具備四個獨立的電壓電流采樣信道，電池電壓、外部溫度采樣信道，完整的外圍接口及強大的內(nèi)存空間，并提供給電表設計開發(fā)者一個方便與友好的設計環(huán)境，使電表的開發(fā)更簡便、快速。