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2011-4-19 閱讀(794)
采用智能電表讓企業(yè)和工程師有更多機(jī)會設(shè)計(jì)出符合不斷演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量解決方案,，這些解決方案能夠滿足未來需求,，并將成為大眾解決方案的一部分,，即低成本解決方案,。然而,，要設(shè)計(jì)出成功的計(jì)量解決方案,，還需要克服許多難題,。
很多時(shí)候,，開發(fā)計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)人員甚至沒有意識到計(jì)量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下,，設(shè)計(jì)人員很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題,，使產(chǎn)品因?yàn)樾〉脑O(shè)計(jì)缺陷而無法用于zui終解決方案。
本文將介紹計(jì)量SoC設(shè)計(jì)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(shí)，本文還使SoC設(shè)計(jì)人員能夠提前了解挑戰(zhàn),，從而能夠從容應(yīng)對并設(shè)計(jì)出有效的解決方案,。
挑戰(zhàn)1：度
度是計(jì)量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因?yàn)榉?wù)提供商絕不會采用無法準(zhǔn)確測量的儀表,。度對于電表應(yīng)用來說尤為重要,，因?yàn)榕c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?yàn)槠釧DC會增加zui終解決方案的價(jià)格）。另一方面，燃?xì)?font color="#000099">流量計(jì)使用片外傳感器感應(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(jì)量,，度取決于兩個(gè)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(gè)因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口,。下面我們將逐個(gè)進(jìn)行討論。
模擬前端（AFE）從客戶的角度來說,，AFE的精度是zui重要的因素,。通常情況下，ADC的結(jié)果決定SoC的可擴(kuò)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(jì)量應(yīng)用中zui常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn),。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(shí),，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時(shí)間-穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換值所需的時(shí)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(shí)鐘,，從而縮短穩(wěn)定時(shí)間,。因此，這會提高解決方案的zui終成本并增加功耗,。
負(fù)載線接口能耗計(jì)算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運(yùn)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(gè)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?jì)算,。這種“電流測量”過程的一個(gè)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(shí)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zui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(shí),，會形成一個(gè)小的電壓降。這個(gè)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(cuò)的測量效果。然而,，它們以時(shí)間差分形式提供輸出,。這就是需要一個(gè)積分器獲得相應(yīng)電流值的原因,。
解決方案的各種儀表聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)簡圖
對比上述三種方式，分流電阻器技術(shù)是*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(diǎn)?？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(fèi)/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(yùn)行的應(yīng)用要求SoC具有非常低的電流消耗,。燃?xì)庥?jì)/流量計(jì)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?yàn)橛?jì)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(jì)應(yīng)用對這些限制更加敏感,。在典型燃?xì)?流量計(jì)解決方案中，儀表大多數(shù)時(shí)間都保持在低能耗狀態(tài),。它將定期隔喚醒以計(jì)算能量消耗,，存儲數(shù)值，并可能重置脈沖計(jì)數(shù)器等。
另外,，燃?xì)?水/熱量的消耗模式不同于電能,，因?yàn)樗鼈儾幌耠娔菢?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(jī)電流）,。
另一個(gè)關(guān)注領(lǐng)域是SoC的啟動時(shí)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(shí)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zui終應(yīng)用的復(fù)雜性。滿足這項(xiàng)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(jì)費(fèi)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?yàn)橛?jì)量能夠或應(yīng)該能夠支持不同類型的解決方案。
對于獨(dú)立解決方案,，儀表不屬于基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量解決方案的一部分,，抄表和計(jì)費(fèi)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?yàn)楣魡蝹€(gè)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(gè)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?yàn)閮x表是網(wǎng)絡(luò)的一部分,，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)（儀表）受到黑客攻擊,，那么整個(gè)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(gè)層又進(jìn)一步劃分為多個(gè)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(jì)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?yàn)樵谒型ㄐ拍Ｊ疆?dāng)中,，這類通信模式會使儀表/儀表網(wǎng)絡(luò)zui容易遭受黑客攻擊。
以基于智能卡的預(yù)付費(fèi)計(jì)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)時(shí)，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(shí)上,，無論采用哪種通信方式，幾乎所有的計(jì)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(shí),，通過減少內(nèi)核開銷增強(qiáng)了芯片性能,。
挑戰(zhàn)4：即時(shí)軟件更新
由于更換儀表涉及高昂費(fèi)用，因此服務(wù)提供商希望儀表的使用時(shí)間能夠超過十年,，甚至多達(dá)15年,。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)SoC時(shí)應(yīng)該使其硬件能夠滿足未來需求,，如：收費(fèi)方案變更,、分時(shí)段計(jì)量、夏令時(shí)變更等,，而不必更換儀表,，也不會中斷為消費(fèi)者提供的服務(wù)。
這向設(shè)計(jì)人員提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)：一個(gè)挑戰(zhàn)是SoC如何在儀表工作時(shí)進(jìn)行軟件升級,，第二個(gè)挑戰(zhàn)是無縫切換到新固件,，同時(shí)這種變化不會導(dǎo)致服務(wù)中斷。
*步是確保在不需要切斷電源或關(guān)掉儀表的情況下將補(bǔ)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(bǔ)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?；镜碾姳鞸oC可能沒有GPRS或以太網(wǎng)等外設(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(bǔ)?。耐獠吭磦鬏?shù)絊oC,。然而，這會涉及內(nèi)核,，因?yàn)閮?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zui大程度地降低這項(xiàng)要求,。這樣,，內(nèi)核能夠在將新軟件加載到存儲器的同時(shí)執(zhí)行其它任務(wù)?？梢允褂肈MA輕松地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ?，不需要?nèi)核介入。
然而,，上面討論的所有方法都面臨一個(gè)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(fèi)用,。
使用ZigBee收發(fā)器、GPRS/GSM/CDMA,、以太網(wǎng),、PLC等通信方式可以更地進(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(shí)性，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。這不會*消除人工操作,，但是通過加速整個(gè)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(xiàng)編程,，可對SoC進(jìn)行編程，從而在下一個(gè)低功率或軟件生成的重置時(shí)從另一個(gè)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(shí),，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(jì)人員可能決定遷移到32位內(nèi)核或者采用強(qiáng)大的DSP內(nèi)核,，使應(yīng)用（通信等）和計(jì)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(jì)算工作量,，額外的硬件只負(fù)責(zé)各種計(jì)算工作，因?yàn)橛?jì)量應(yīng)用是高度計(jì)算密集型的應(yīng)用,。
數(shù)據(jù)匯集器和計(jì)量網(wǎng)關(guān)受系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的影響zui大,，因?yàn)樗鼈冃枰幚泶罅繑?shù)據(jù)。同時(shí),，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,。迄今為止,，的大多數(shù)儀表都需要手動抄表。這是因?yàn)閭鹘y(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(yùn)營成本,，還容易引入人為錯(cuò)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(shí)現(xiàn)自動抄表,。電表抄表傳輸?shù)囊粋€(gè)主要問題是存在電噪聲。
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(cuò)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(shí),，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zui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)zui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(shí)代智能電表架構(gòu)”,。
