智能計量的主要驅(qū)動力在于人類對未來能源和環(huán)境狀況的擔(dān)憂，對能源使用更智能的管理可減少浪費，緩解人類活動對環(huán)境的壓力。智能計量的主要功能除了對能源消耗的測量、控制和對系統(tǒng)的故障的診斷外，還強調(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)的新興快速增長領(lǐng)域。
MCU如何實現(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年初面向中國國家電網(wǎng)對智能電表的標(biāo)準(zhǔn)推出了MZ60系列MCU。隨后為滿足市場需求，飛思卡爾繼續(xù)擴大其新一代智能MCU陣容，推出定位全球計量市場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)濟高效的8位MC9S08GW6微控器，和面向計量應(yīng)用的超低功耗LCD MCU—MC9S08LH64/36，同時大舉提高針對智能計量表市場的MCF51EM 32位ColdFire V1系列產(chǎn)量，為迅速開發(fā)出符合不同要求的智能電表產(chǎn)品提供強大的專業(yè)技術(shù)支持。
智能計量繼續(xù)表現(xiàn)出強勁的增長態(tài)勢。智能電網(wǎng)的普及為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來巨大的發(fā)展機遇，智能電表受到產(chǎn)業(yè)拉動;但伴隨著對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MCU的技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下幾點：系統(tǒng)成本、系統(tǒng)功耗、掉電和電表失效時的數(shù)據(jù)保存、防盜電、日趨復(fù)雜的電表設(shè)計對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)場升級能力等。另外從市場需求層面看，智能電表方案面臨的最大挑戰(zhàn)是成本，同時成本也是整個智能電網(wǎng)概念的最核心驅(qū)動力，其牽動了從電廠、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)和多元市場微控制器部亞太區(qū)市場經(jīng)理曾勁濤表示，智能電網(wǎng)需要以下幾個核心模塊來實現(xiàn)智能化：計量網(wǎng)關(guān)(Metering Gateway)、AMI(自動計量基礎(chǔ)設(shè)施)、AMM(自動計量管理模塊)和AMR(自動讀表)。其中計量網(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，可實現(xiàn)雙向電網(wǎng)和資源的優(yōu)化;AMM主要負責(zé)數(shù)據(jù)管理和計費，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)成長中的MCU市場。收購Luminary后，TI構(gòu)建起完整的MCU產(chǎn)品陣營。TI認(rèn)為，隨著汽車與工業(yè)電子等主力市場的逐漸回暖，消費電子、智能家居、移動計算、智能電表以及醫(yī)療電子等新興應(yīng)用市場迅猛發(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實時控制器等幾大平臺，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系列將計量模塊直接嵌入在MSP430內(nèi)部，組成集成計量芯片的單向電表MCU方案，使電表的設(shè)計難度和成本都得到降低。當(dāng)然，MSP430FE42x并不是電能計量模塊與MSP430的簡單結(jié)合，它還提供了對內(nèi)部模塊的控制。如果用在單相電表的設(shè)計，設(shè)計者可以直接啟動內(nèi)部電能計量模塊ESP430;而對于其它需要16位A/D的產(chǎn)品時，則可以禁止ESP430模塊，直接對前置可變增益放大器和A/D轉(zhuǎn)換器控制，是其在產(chǎn)品設(shè)計中有很大的靈活性。
MSP430FE42x具有三個通道獨立的16位Sigma-Delta架構(gòu)ADC，并非如通常單片機那樣采用模擬開關(guān)切換分別進行轉(zhuǎn)換的方法。此外，MSP430FE42x還內(nèi)置16位計時器，LCD驅(qū)動、14個I/O接腳、放盜電功能等。[!--empirenews.page--]
DSP方案強調(diào)信號處理能力
除用于控制的MCU以外，具有強大信號處理能力的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原始實時用電數(shù)據(jù)以及實現(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軟件輕松升級，以符合本地或國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。在實現(xiàn)實時智能抄表的技術(shù)以合理的價位出現(xiàn)之前，現(xiàn)有的信息是不充足的，無法發(fā)現(xiàn)或者糾正能量浪費行為。借助Blackfin的實時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。在本地和全國范圍的供電系統(tǒng)內(nèi)增加使用智能電表是實現(xiàn)精確、可靠的電能管理的關(guān)鍵。電費單如果不僅包含每個月的電費信息，還能明確列出按日期時間以及按耗電的電器分類所產(chǎn)生的電費和電能使用情況，將讓家庭更清晰地了解每月的耗電情況。更為理想的場景是，假定電力公司能夠借助采集的這些實時信息的能力，為那些將用電時間從用電高峰時段轉(zhuǎn)到非用電高峰時段的用戶提供大幅折扣，比如，在晚上九點而不是晚上六點半使用洗衣機的用戶回饋電能信用額度等。
ADI最新推出的Blackfin ADSP-BF592產(chǎn)品(詳細產(chǎn)品資訊，請見：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量系統(tǒng)中。ADI公司處理器及DSP部門市場總監(jiān)Colin Duggan在采訪中表示，智能計量是能源系統(tǒng)升級的核心部分，其帶來的收益主要有以下幾個方面：對環(huán)境的保護和某些能源依賴性的降低，以及對能源利用更高的效率。目前美國等地區(qū)利用無線射頻方式實現(xiàn)抄表是一個很好的方式，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。各國智能電表方案差別很大，因此要考慮到區(qū)域性差異，除了支持無線抄表方式，還支持中國市場比較傾向的電力線PLC方式。其次，由于一塊智能電表的設(shè)計壽命可能達到10年~15年，這就要求除了硬件本身的高質(zhì)量、高可靠性，軟件升級功能也是必不可少的。最后，安全性是各國政府和電力機構(gòu)十分擔(dān)心的問題，電表的設(shè)計要能與中央監(jiān)控室(Central Office)實現(xiàn)實時監(jiān)控，還要對電表的存儲加以保護。
Colin Duggan談到，Blackfin ADSP-BF592的豐富接口可以使設(shè)計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同時實現(xiàn)信號處理和中央控制功能;而對于復(fù)雜系統(tǒng)或者有較大存儲空間的應(yīng)用，則需要外接一顆主控制芯片。基于 Blackfin 的智能電表不僅能夠滿足目前的設(shè)計要求，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。隨著未來標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，這些應(yīng)用只需通過電網(wǎng)即可下載到基于 Blackfin 的儀表部件中，實現(xiàn)一種無縫傳輸。
早在BF592之前，Blackfin就已被西門子采用用于智能電表的設(shè)計。Colin Duggan介紹說，西門子自動抄表信息系統(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)計階段初期，西門子公司就認(rèn)識到要實現(xiàn)這個目標(biāo)，智能電表就需要以較低的單價提供非凡的表內(nèi)處理能力、動態(tài)和電網(wǎng)一體化通信以及真正的可擴展性。西門子公司選擇了Blackfin匯聚式處理器，這是因為該處理器具備同時作為DSP和MCU進行無縫工作的能力，特別適合西門子AMIS的高處理和動態(tài)通信應(yīng)用要求，并且實現(xiàn)了極具成本效益的計算性能，以及耗電信息統(tǒng)計的功能。這樣就同時給電力公司和用戶提供了管理電費的能力并可最終實現(xiàn)節(jié)約使用珍貴的電能資源。
Wi-Fi：早期參與 占據(jù)中國市場主動
無線通信使智能計量和智能電網(wǎng)的概念進一步延伸，并有望通過常用的技術(shù)擴展到智能家居。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，例如家庭無線網(wǎng)絡(luò)與智能計量手段的結(jié)合。
博通公司表示，由于Wi-Fi在家用無線網(wǎng)絡(luò)中的高普及率，利用Wi-Fi作為智能計量的一部分具有很大的優(yōu)勢。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)的前一個環(huán)節(jié)，則可利用Wi-Fi技術(shù)來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”的智能計量方案。
電力載波信號容易受到干擾，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)摹６鳽igBee 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)。
博通公司資深副總裁兼無線局域網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部總經(jīng)理Michael Hurlston認(rèn)為，目前美國市場以ZigBee作為主要的信息收集手段并不是因為ZigBee比Wi-Fi更加先進或適用，而是在美國智能計量市場需要一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)作為支撐時，Wi-Fi沒有及時提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)這一功能。因此，美國市場對這一標(biāo)準(zhǔn)的選擇實際與技術(shù)無關(guān)，而是Wi-Fi沒有對智能電網(wǎng)投入應(yīng)有的注意力造成的，因此也導(dǎo)致Wi-Fi喪失了美國智能電網(wǎng)市場。所以，博通把目光轉(zhuǎn)向中國市場。“目前中國正處于智能電網(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，早期的參與會使Wi-Fi占據(jù)更主動的地位。”
Michael Hurlston還表示，除“先入為主”的市場選擇，即使不考慮其它因素，Wi-Fi在技術(shù)上也更優(yōu)于ZigBee。他說，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)可無障礙地實現(xiàn)共享，對于空調(diào)、冰箱、洗衣機等家電設(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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