智能電表方案各家談

智能電表一直是炒的比較熱的話題，而各大半導(dǎo)體廠商也是借著這股勢(shì)頭紛紛在推薦自己的產(chǎn)品和方案，今天就為大家簡(jiǎn)單介紹下各家在智能電表領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。

智能電網(wǎng)框圖

忍不住又用到了飛思卡爾官網(wǎng)上的這張貼圖，雖然圖上的標(biāo)注并不一定完整，但是它為我們呈現(xiàn)了整個(gè)智能電網(wǎng)的一個(gè)框架。計(jì)量，作為電表最基本也是最重要的一個(gè)功能，圖中也醒目的標(biāo)注出了。當(dāng)然，作為智能電表，我們對(duì)它有了更多要求，而它如何能滿足人們多樣化的需求呢？首先，它必須要有一顆堅(jiān)強(qiáng)的“芯”——mcu。

控制單元MCU比較

作為智能電表的大腦，MCU一直都是最重要的模塊，它負(fù)責(zé)著采樣數(shù)據(jù)的處理、顯示，也負(fù)責(zé)著對(duì)外數(shù)據(jù)流的交換，可以說(shuō)它的性能直接決定了智能電表的性能。從目前主要的智能電表方案來(lái)看，所用的MCU基本都包括了液晶顯示接口，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，各類通信接口，如RS485，PLC，無(wú)線模塊等，當(dāng)然針對(duì)不同價(jià)位的方案，配置也略有差異。下面看下主要半導(dǎo)體廠商的MCU產(chǎn)品：

1） 飛思卡爾，針對(duì)低、中、高端智能電表要求，飛思卡爾有S08MZ、S08GW系列，MCF51EM系列，以及Kinetis K30系列。飛思卡爾提供了8位和32位的微控制器解決方案，特別是MZ系列微控制器，是專門為中國(guó)智能電網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)定制的。

2） 意法半導(dǎo)體，同樣也是8位和32位的MCU解決方案。STM8L低功耗系列主攻低端市場(chǎng)，STM32系列以及可以配置的微處理器SPEAr系列負(fù)責(zé)中高端市場(chǎng)。

3） 德州儀器，MSP430系列，是超低功耗的16位微控制器方案。

4） 愛(ài)特梅爾，從6腳Atmel tinyAVR到 megaAVR, AVR XMEGA, 32位 AVR、Cortex-M3、ARM7以及400MHz ARM9等眾多8位和32位微控制器。

從各家推出的方案來(lái)看，基本都是用8位控制器來(lái)做低端市場(chǎng)，中高端用32位控制器來(lái)做方案；而德州儀器主推16位MSP430系列來(lái)針對(duì)智能電表市場(chǎng)，對(duì)應(yīng)低端市場(chǎng)，它有MSP430AFE2系列的產(chǎn)品，而對(duì)應(yīng)中高端，它也有4系列的產(chǎn)品，與其他家相比只是市場(chǎng)策略不同而已。

電表因?yàn)閼?yīng)用的特殊要求，對(duì)能耗要求較高，所以各家的超低功耗產(chǎn)品也是必須特別提一下的。如飛思卡爾的S08GW系列、S08LL系列，意法半導(dǎo)體的STM8L、STM32L系列，德州儀器的MSP430AFE2xx以及MSP430FE47X2系列，愛(ài)特梅爾運(yùn)用picoPower技術(shù)的tinyAVR、megaAVR和AVR XMEGA系列。

而在功能模塊SoC方案上，德州儀器似乎做的更好，低成本的MSP430FE47x2 MCU通過(guò)將 ESP 能量計(jì)算引擎與 2x16 位 Σ-Δ ADC、128 段 LCD 驅(qū)動(dòng)器、高達(dá) 32KB 的閃存與 1KB 的 RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成在一起，使得MCU 在系統(tǒng)組件上縮減到原來(lái)的五分之一。

MSP430FE47x2 MCU SoC方案使得MCU 在系統(tǒng)組件上縮減到原來(lái)的五分之一

通信方案比較

目前國(guó)內(nèi)用得是RS485或者PLC載波通信方式。485通信需要另外布線，施工量太大，不方便大范圍實(shí)施；而載波通信目前國(guó)內(nèi)完全是窄帶的FSK載波，這也存著不少問(wèn)題，首先電力線的負(fù)載特性影響較大，容易造成通信信道的不穩(wěn)定不可靠，而且FSK載波方案的傳輸速率不夠，達(dá)不到實(shí)時(shí)通訊的要求。

目前中東和歐洲正在部署PRIME或G3的標(biāo)準(zhǔn)，這是一種OFDM的載波通訊方式，速率在20K-100K能夠保障實(shí)時(shí)通訊的要求，這也是很多公司在推的一種方案；而針對(duì)目前的FSK調(diào)制技術(shù)，也有一些改進(jìn)方案，以安森美半導(dǎo)體的S-FSK調(diào)制技術(shù)為例，針對(duì)電力線的特點(diǎn)，采用S-FSK和ASK自動(dòng)切換的方式來(lái)應(yīng)對(duì)最常見(jiàn)的窄帶干擾。一般情況下，PLC Modem工作在所謂S-FSK調(diào)制方式：兩個(gè)載頻分開(kāi)的較遠(yuǎn) （>10 kHz）。如果有窄帶干擾影響了某一個(gè)載頻，Modem還可以利用另一個(gè)載頻通信。此時(shí)Modem工作在ASK調(diào)制方式。下面我們具體來(lái)看各家的產(chǎn)品：

1） 飛思卡爾，針對(duì)OFDM、S-FSK兩種載波方式的MC13260通信芯片；

2） 意法半導(dǎo)體，針對(duì)OFDM方式的芯片有ST7590，B-FSK方式的有ST7538Q、ST7540，S-FSK方式的有ST7570，以及針對(duì)B-FSK, B-PSK, Q-PSK, 8-PSK多種調(diào)制方式的ST7580；

3） 愛(ài)特梅爾，有針對(duì)OFDM以及完全兼容PRIME通信模塊的ATPL2xx系列；

4） 美信，主要在推G3通信方案，產(chǎn)品型號(hào)是MAX2992，屬于業(yè)內(nèi)首款芯片；針對(duì)OFDM方式，美信也是業(yè)內(nèi)第一個(gè)推出相應(yīng)芯片的廠商，型號(hào)是MAX2990；

5） 德州儀器，基于C2000這個(gè)MCU平臺(tái)，可以靈活的為客戶定制針對(duì)SFSK，F(xiàn)SK、G3、PRIME、P1901.2 OFDM等標(biāo)準(zhǔn)的方案。與其他廠商采用ASIC專用芯片方式不同，德州儀器采用的是DSP方案。針對(duì)不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用戶只要升級(jí)不同的軟件協(xié)議棧就可以推出相對(duì)應(yīng)的方案，而無(wú)需進(jìn)行硬件的更改。

無(wú)線方案中，各家基本以ZigBee為主，如飛思卡爾的MC13202、MC1322x，意法半導(dǎo)體的SPZB250、260等，德州儀器的CC2520/CC2530，以及CC2500/CC2550等，當(dāng)然很多MCU本身就SoC無(wú)線模塊在里面了，如STM32W等，這里就不再累贅了。

安全功能比較

個(gè)人認(rèn)為安全主要包括兩方面，一方面如何保證電表數(shù)據(jù)的安全，在掉電或其他情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，如何能夠防止篡改；另一方面，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，如何保證數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)個(gè)人用戶的一些隱私信息是否安全等等。

目前的智能電表中都有ESAM安全模塊，基本可以滿足上述要求。而各家半導(dǎo)體廠商又都有哪些方案和產(chǎn)品來(lái)確保安全呢，具體來(lái)看下：

1） 在防篡改方面，飛思卡爾有多種傳感器可供選擇，如加速度傳感器NMA745xL，接近傳感器MC33941，壓力傳感器MP3V5004等；

2） 意法半導(dǎo)體在RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）有專用的管理芯片M41ST87W；當(dāng)然一些MCU本身都帶RTC模塊，如飛思卡爾的MCF51EM256等等，也就不需要單獨(dú)的管理芯片了。

3） 德州儀器的ZigBee無(wú)線通信芯片是帶有AES128加密模塊的，而且其給用戶提供了多種加密算法，客戶可以靈活的選用和配置。

智能電表因?yàn)檎鲗?dǎo)比例較大，所以與其他領(lǐng)域相比增長(zhǎng)還是相對(duì)穩(wěn)定，這也是各大半導(dǎo)體廠商競(jìng)相追逐這塊市場(chǎng)的主要原因。

從產(chǎn)品和技術(shù)來(lái)看，各家也各有優(yōu)勢(shì)，比如飛思卡爾，產(chǎn)品線比較全，智能電網(wǎng)大概念的產(chǎn)品它都有涉及，而且在傳感器方面的優(yōu)勢(shì)，為智能電表在安全方面的設(shè)計(jì)提供了多種傳感器作選擇；意法半導(dǎo)體，提供了多系列的單片機(jī)選擇方案，而且各種功率模塊、電源芯片也為智能電表設(shè)計(jì)提供了多種選擇；德州儀器，MSP430，無(wú)論在功耗、還是性價(jià)比上都是智能電表方案中相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，而且德州儀器的很多SoC方案為產(chǎn)品設(shè)計(jì)更小、成本更低提供了可能。而且這些廠商都積極參與到各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定中去，為智能電表的更加完善提供助力。

其他一些半導(dǎo)體廠商也專注著一些特定的領(lǐng)域，相信它們?cè)诓痪玫膶?lái)在智能電表領(lǐng)域，也會(huì)有自己的一席之地。