智能計量的設(shè)計方案

企業(yè)和工程師要設(shè)計出符合不斷眼睛的全球標(biāo)準(zhǔn)的智能計量解決方案，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)。

很多時候，開發(fā)計量芯片的設(shè)計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計人員很容易出現(xiàn)設(shè)計問題，使產(chǎn)品因為小的設(shè)計缺陷而無法用于最終解決方案。

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

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因為服務(wù)提供商絕不會采用無法準(zhǔn)確測量的儀表。精確度對于電表應(yīng)用來說尤為重要，因為與天然氣/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測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會增加最終解決方案的價格)。另一方面，燃?xì)饬髁坑嬍褂闷鈧鞲衅鞲袘?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SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：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)對電壓和電流的測量精度。

因此，對于燃?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。對于電表，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進(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是計量應(yīng)用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術(shù)對輸入進(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，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間-穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換值所需的時間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，快速切換通道會導(dǎo)致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負(fù)載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運算。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，可以確定一個比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進(jìn)行測量。

電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嬎?。這種“電流測量”過程的一個限制是需要有能夠直接測量電流的低成本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測量該電壓，它對應(yīng)于實際的電流消耗。這為電流測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，會形成一個小的電壓降。這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應(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線圈是另一種測量電流的方法(見圖1)。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個積分器獲得相應(yīng)電流值的原因。

圖1：Rogowski線圈結(jié)構(gòu)。

對比上述三種方式，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線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(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?？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/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行的應(yīng)用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃?xì)庥?流量計不與電源直接連接。

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)用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因為計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)?流量計應(yīng)用對這些限制更加敏感。在典型燃?xì)?流量計解決方案中，儀表大多數(shù)時間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數(shù)值，并可能重置脈沖計數(shù)器等。

另外，燃?xì)?水/熱量的消耗模式不同于電能，因為它們不像電那樣無時無刻不在使用。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(休眠模式待機電流)。

另一個關(guān)注領(lǐng)域是SoC的啟動時間及相關(guān)的電流消耗。由于應(yīng)用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關(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

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

但是，也可能會非常復(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，因為計量能夠或應(yīng)該能夠支持不同類型的解決方案。

對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò)的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動進(jìn)行的，對安全性、防護(hù)和檢測的要求會很低，因為攻擊單個儀表不會影響其它儀表。因此，服務(wù)提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。

在儀表窗口和儀表蓋之間形成一個電流路徑便可以檢測儀表蓋是否被打開。只要有人試圖打開儀表，該電流會被中斷，對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顯示為篡改企圖。

對于基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案，僅僅通過檢測或簡單的密碼保護(hù)不能解決安全問題。需要更加嚴(yán)格的保護(hù)，因為儀表是網(wǎng)絡(luò)的一部分，如果一個節(jié)點(儀表)受到黑客攻擊，那么整個網(wǎng)絡(luò)都會暴露給黑客攻擊。

在這些情況下，安全性分為軟件和硬件層，這兩個層又進(jìn)一步劃分為多個層。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。這類通信對安全性提出了很高的要求。因為在所有通信模式當(dāng)中，這類通信模式會使儀表/儀表網(wǎng)絡(luò)最容易遭受黑客攻擊。

以基于智能卡的預(yù)付費計量為例。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)額存儲在其內(nèi)部存儲器中，插入儀表后，儀表會根據(jù)消耗量不斷扣除數(shù)額。

簡單的攻擊行為可能是對智能卡進(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存儲在智能卡里的數(shù)據(jù)(如真實性數(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。

在智能卡上寫回數(shù)據(jù)時，會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，儀表就會受到保護(hù)。事實上，無論采用哪種通信方式，幾乎所有的計量解決方案都使用加密功能，以保證安全性不會受到損害。

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，通過減少內(nèi)核開銷增強了芯片性能。

挑戰(zhàn)4：即時軟件更新

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

這向設(shè)計人員提出了兩個挑戰(zhàn)：一個挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時進(jìn)行軟件升級，第二個挑戰(zhàn)是無縫切換到新固件，同時這種變化不會導(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)的情況下啟動該補丁，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。基本的電表SoC可能沒有GPRS或以太網(wǎng)等高級外設(shè)。

在這種情況下，簡單的外設(shè)，如：SCI、SPI或I2C，可用來將數(shù)據(jù)(補丁)從外部源傳輸?shù)絊oC。然而，這會涉及內(nèi)核，因為內(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器和外部世界的外設(shè)，可以最大程度地降低這項要求。這樣，內(nèi)核能夠在將新軟件加載到存儲器的同時執(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ζ鳎恍枰獌?nèi)核介入。

然而，上面討論的所有方法都面臨一個重大挑戰(zhàn)：更新流程基本上是手動完成的，人們需要手動連接固件加載器和SPI、SCI或USB。這會增加固件更新的費用。

使用ZigBee收發(fā)器、GPRS/GSM/CDMA、以太網(wǎng)、PLC等高級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，確定其真實性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這不會完全消除人工操作，但是通過加速整個操作過程，大大減少了手動操作。

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)器會根據(jù)指令將軟件代碼傳輸?shù)絊oC，也會根據(jù)該指令建立網(wǎng)絡(luò)。對SoC進(jìn)行編程，使其把接收到的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲器，然后軟件重置會發(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)可以支持啟動選項編程，可對SoC進(jìn)行編程，從而在下一個低功率或軟件生成的重置時從另一個指定位置啟動。還可以使該架構(gòu)選擇從RAM啟動，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，系統(tǒng)可以從RAM啟動，而不是從閃存啟動，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)計人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強大的DSP內(nèi)核，使應(yīng)用(通信等)和計量部件不會互相影響。通過在SoC中采用額外硬件，還可以分擔(dān)內(nèi)核的計算工作量，額外的硬件只負(fù)責(zé)各種計算工作，因為計量應(yīng)用是高度計算密集型的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)匯集器和計量網(wǎng)關(guān)受系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的影響最大，因為它們需要處理大量數(shù)據(jù)。同時，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)儀表都需要手動抄表。這是因為傳統(tǒng)儀表無法支持聯(lián)網(wǎng)解決方案。這種手動抄表不僅增加了運營成本，還容易引入人為錯誤。

因此，對于有效的解決方案，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)，以便實現(xiàn)自動抄表。電表抄表傳輸?shù)囊粋€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)選項簡圖。

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)能夠以支持錯誤檢測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，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“新時代智能電表架構(gòu)”。

本文小結(jié)

如今，計量演進(jìn)的速度非常驚人，設(shè)計人員需要做好準(zhǔn)備，預(yù)見將來會出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)。除非設(shè)計人員積極應(yīng)對問題和挑戰(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開始，我們還將面臨更多的問題。