芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用篇，基于SoC電表計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的電表系統(tǒng)

芯片設(shè)計(jì)尤為重要，芯片設(shè)計(jì)的應(yīng)用也很廣泛。對(duì)于芯片設(shè)計(jì)，大家或多或少都有所了解，在往期文章中，小編更是對(duì)芯片設(shè)計(jì)做過詳細(xì)介紹。本文對(duì)于芯片設(shè)計(jì)的介紹盡管不是十分貼切，但還是系統(tǒng)大家了解以下基于SoC電表計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的電表系統(tǒng)。如果你對(duì)本文的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

由于生活水平的提升，用電需求增加，對(duì)電力的應(yīng)用也更加多元化，加上各國政府大力倡導(dǎo)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(dòng)讀表(AMR)，需求預(yù)估與管理控制、費(fèi)率更新與分時(shí)電價(jià)的先進(jìn)電網(wǎng)架構(gòu)(AMI)，以及用于未來電網(wǎng)自我診斷修復(fù)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(fù)雜度的增加。

現(xiàn)有數(shù)字電表的設(shè)計(jì)多以單片機(jī)搭配專用計(jì)量芯片為主。其優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)與計(jì)量芯片的選擇多，沒有供貨的問題。但由于計(jì)量芯片其計(jì)量功能都已固定無法更改，如果有需要?jiǎng)t須將計(jì)量芯片的電力數(shù)據(jù)回傳至單片機(jī)上，再通過單片機(jī)加以處理。但這種方式會(huì)造成時(shí)序上的延遲，因此無法及時(shí)反映實(shí)時(shí)的電力狀況。再加上周邊接口控制的復(fù)雜度，其單片機(jī)負(fù)荷與軟件編寫上有一定的復(fù)雜度。

目前已有很多芯片制造商推出的SoC的計(jì)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(jì)量取樣、單片機(jī)、液晶屏幕控制接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、GPIO與通訊接口等?？赏ㄟ^單片機(jī)和內(nèi)部的寄存器設(shè)定，簡單快速地控制所有的外圍功能模塊，而無需再通過復(fù)雜的GPIO、SPI或I2C接口來控制計(jì)量芯片、RTC 芯片與液晶驅(qū)動(dòng)芯片等。這樣可以降低電表軟件開發(fā)的復(fù)雜度，降低單片機(jī)內(nèi)存的需求，并提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

用SoC計(jì)量單芯片所設(shè)計(jì)的電表系統(tǒng)，可大幅降低電表的零件成本與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)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(fù)雜度、使系統(tǒng)設(shè)計(jì)單純化并加速更新設(shè)計(jì)的速度、更簡易的除錯(cuò)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(fù)雜程度降低等。可見其優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有大幅不同。

現(xiàn)在對(duì)傳統(tǒng)多芯片的設(shè)計(jì)方式與SoC設(shè)計(jì)方式進(jìn)行對(duì)比。圖1為飛思卡爾針對(duì)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(jì)量芯片、9S08MZ60單片機(jī)、RTC芯片、LCD驅(qū)動(dòng)芯片以及ESAM 與 EEPROM 芯片等。由總數(shù)六個(gè)以上的獨(dú)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(jì)量芯片、8051單片機(jī)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘與液晶屏幕驅(qū)動(dòng)芯片。該架構(gòu)大幅降低芯片的使用個(gè)數(shù)，由六個(gè)芯片降低為三個(gè)(PM8443、EEPROM與ESAM)，這三個(gè)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(jì)量DSP與高效能8051單片機(jī)。DSP與單片機(jī)采用獨(dú)立運(yùn)作模式，互相不干擾。單片機(jī)可將其全部的計(jì)算效能用于程序與外圍接口的控制上。此外，PM8443 8051單片機(jī)擁有額外的32位數(shù)學(xué)運(yùn)算加速器，若單片機(jī)要計(jì)算更為復(fù)雜的電力參數(shù)，可通過該數(shù)學(xué)運(yùn)算加速器加速單片機(jī)的計(jì)算效率?？删幊藾SP與一般固定功能的計(jì)量芯片不同，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求調(diào)整DSP的軟件內(nèi)容。

使用單一SoC芯片，可應(yīng)用于不同的電表設(shè)計(jì)上，降低零件備料數(shù)目與庫存管理。PM8443 DSP還可提供實(shí)時(shí)的電源保護(hù)功能，包括針對(duì)過壓、過流、短路、漏電、過溫等的實(shí)時(shí)電源保護(hù)機(jī)制，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)電力使用狀況，保護(hù)不延遲?？捎糜陬A(yù)付費(fèi)電表與電動(dòng)車充電電表上，讓電表的設(shè)計(jì)更有別于一般的電表系統(tǒng)。最后，PM8443具備四個(gè)獨(dú)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(qiáng)大的內(nèi)存空間，并提供給電表設(shè)計(jì)開發(fā)者一個(gè)方便與友好的設(shè)計(jì)環(huán)境，使電表的開發(fā)更簡便、快速。

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