全球智能計量市場正在不斷膨脹。中國已著手開始升級城市電網(wǎng)中的智能電表，2010年已升級了1.7億臺，后面還將升級農(nóng)村和南方的電網(wǎng)。在國外，歐盟的一些國家（西班牙、法國和英國）也相繼升級了數(shù)千萬臺智能電表。東歐、南美和非洲的一些發(fā)展中國家也都邁入了升級電表的進(jìn)程。

　　設(shè)計挑戰(zhàn)

　　對于電表設(shè)計人員來說，智能計量市場的擴(kuò)大在創(chuàng)造豐富商機(jī)的同時也帶來了諸多挑戰(zhàn)。下面羅列了其中一些挑戰(zhàn)：

　　市場的區(qū)域差異。地區(qū)間的需求各不相同。例如，中國的預(yù)付費(fèi)電表使用智能卡，而非洲采用的是鍵盤和代碼。類似的，歐洲的智能電表采用電線通信（PLC）技術(shù)，而南美的智能電表采用無線技術(shù)。在中國，農(nóng)村電網(wǎng)相比城市電網(wǎng)所需的功能較少，并且各省的投標(biāo)要求也不盡相同。

　　未來的移植能力。智能計量市場是個相對嶄新的市場，仍在不斷改進(jìn)。如何確保智能電表設(shè)計的靈活性，使其能滿足未來的需要呢？

　　低成本。由于要部署的電表數(shù)量非常龐大，因此成本是最需關(guān)注的因素之一。智能電表的售價從發(fā)展中國家的小于10美金到北美和西歐AMI電表的100美金不等。

　　加快上市。總是有地方在進(jìn)行智能電表投標(biāo)。但是公司的設(shè)計資源有限，在不同產(chǎn)品采用不同軟件的情況下，快速修改一款設(shè)計使之適應(yīng)新的要求是非常困難的。

　　現(xiàn)有解決方案和限制

　　許多現(xiàn)有的解決方案都是以產(chǎn)品為中心的，能夠很好地支持特定的智能電表產(chǎn)品。因為采用的資源數(shù)合適，因而優(yōu)化了成本。然而，智能電表涉及到很多不同的技術(shù)層面，具有不同的成本和性能要求。因此，以產(chǎn)品為中心的方法必須通過以下兩種途徑中的一種來解決這一問題：

　　重用高端產(chǎn)品來服務(wù)于低端市場；使用不同供應(yīng)商提供的解決方案為不同的市場領(lǐng)域開發(fā)不同的產(chǎn)品。

　　前者支持設(shè)計重用，能加快產(chǎn)品上市，但其成本架構(gòu)在低端市場沒有什么競爭力。后者的產(chǎn)品成本較低，不過設(shè)計人員必須學(xué)習(xí)和購買不同的工具，維護(hù)多個代碼庫，長期來看代價也十分高昂。

　　要應(yīng)對不斷進(jìn)步的全球智能計量市場中低成本和快速上市這對互相矛盾的要求，可采用平臺解決方案。一款好的平臺依靠一條工具鏈、可重用的軟件和豐富的產(chǎn)品，能支持各種市場領(lǐng)域，并同時滿足低成本和上市快這兩種要求。從設(shè)計人員的角度來說，平臺解決方案可被認(rèn)為是共用開發(fā)環(huán)境，具有可重用軟件庫的一系列器件。一個好的平臺應(yīng)該具有豐富的器件，從而能滿足不同的市場需求。

　　Microchip的平臺解決方案

　　包含Microchip的PIC單片機(jī)（MCU）和dsPIC數(shù)字信號控制器（DSC）系列在內(nèi)的平臺就是一款這樣的平臺，具有8位、16位和32位三種架構(gòu)，并且采用統(tǒng)一的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）——MPLAB IDE。具有約700款MCU產(chǎn)品，以及分立式模擬前端（AFE）和存儲器產(chǎn)品，Microchip能夠根據(jù)不同電表的特定需求提供高成本效益的完整解決方案，并且該解決方案可在整個PIC MCU和dsPIC DSC架構(gòu)間輕松移植。圖1給出了基于統(tǒng)一MPLAB IDE的Microchip平臺解決方案。

　　圖1：Microchip的PIC MCU和dsPIC數(shù)字信號控制器（DSC）平臺。

　　具有成本競爭力的智能電表

　　智能電表必須部分或全部支持以下主要功能：

　　測量有功/無功能量、正向/反向能量、有功/無功/視在功率和RMS電流/電壓：通用MCU的特性使其相當(dāng)靈活，可實現(xiàn)這些功能的全部或一部分，適用于任何特定市場領(lǐng)域。要計算能量、功率、電流和電壓，CPU需要具備一定的處理能力。

　　多費(fèi)制或分時（Time-Of-Use，TOU）功能：這需要額外的存儲器、精確可靠的實時時鐘（RTC）以及存儲用外部EEPROM的接口。

　　RS485、光纖、IR、PLC和/或無線通信：這需要硬件UART以實現(xiàn)易用性，以及額外的RAM用作通信緩沖區(qū)。

　　因此，智能計量應(yīng)用對MCU的要求超出了用于普通電表的典型MCU產(chǎn)品，例如普通電表用MCU僅需32KB閃存存儲器、2KB RAM和簡單能量脈沖輸出。要在不增加成本的情況下支持智能電表，智能電表MCU的最低要求應(yīng)包括SPI接口、64KB閃存、4KB RAM、2個硬件UART和1個具有日歷功能的硬件RTC。

　　PIC18 MCU系列可滿足這些設(shè)計要求，該系列采用16位程序字架構(gòu)，并集成先進(jìn)的RISC架構(gòu)、32級深堆棧、8x8硬件乘法器以及多個內(nèi)部和外部中斷。PIC18系列在Microchip的8位產(chǎn)品中性能最佳，以低于16位/32位MCU架構(gòu)的成本提供高達(dá)16MIPS的運(yùn)算速度和豐富的線性存儲空間。PIC18F87J90 MCU系列可用于實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的入門級智能計量解決方案，其具備的資源如下：

　　存儲器：PIC18閃存單片機(jī)器件中有兩種類型的存儲器，分別為程序存儲器和數(shù)據(jù)RAM。PIC MCU基于哈佛架構(gòu)，對數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器分別使用獨(dú)立總線，從而允許同時訪問這兩個存儲空間。憑借64KB程序存儲器和4KB數(shù)據(jù)RAM，PIC18F86J90 MCU成為智能計量解決方案的絕佳選擇；而PIC18F87J90 MCU更可讓您安枕無憂，其具備的128KB閃存存儲器可滿足未來移植的需要。該系列器件的閃存存儲器通常能耐寫10，000次擦/寫，且數(shù)據(jù)保存時間至少20年。同時還具有字寫入功能，可用于數(shù)據(jù)EEPROM仿真。

　　串行接口：一個可工作在串行外設(shè)接口（SPI）模式下的主同步串行端口（MSSP）用于從AFE獲取完整的寄存器值。一個增強(qiáng)型通用同步異步收發(fā)器（EUSART）提供了IR自動波特率檢測功能。一個可尋址通用同步異步收發(fā)器（AUSART）可由RS485和電力線通信（PLC）共享。其他UART需求可通過軟件仿真來支持。

　　RTC：硬件實時時鐘和日歷（Real Time Clock and Calendar，RTCC）提供時鐘、日歷和鬧鐘功能。該模塊為百年時鐘和日歷，具有閏年自動檢測功能。該時鐘提供一秒的時間粒度，用戶可看到半秒的時間間隔。

　　RTC精度會受到外部時鐘晶振的影響，尤其是外部晶振的溫度漂移。使用由晶振誤差與溫度的關(guān)系曲線生成的查找表，可在軟件中調(diào)整時間。但是，這可能使RTC程序復(fù)雜化，因為需要大型計數(shù)器在正確的時間應(yīng)用這些調(diào)整。PIC MCU片上提供的RTCC模塊具有一個軟件可重寫寄存器“RCFGCAL”，該寄存器可以每分鐘自動修改一次計數(shù)器值以補(bǔ)償晶振誤差，不會在運(yùn)行時產(chǎn)生軟件開銷。該一點式校正對于+/-5 ppm的室溫誤差以及晶振溫度范圍內(nèi)+/-10 ppm的誤差通常很有效，但前提是從聲譽(yù)良好的時鐘晶振廠商謹(jǐn)慎采購部件，以將部件之間的差異降至最低。如要對部件間的差異進(jìn)行質(zhì)量控制，可應(yīng)用兩點式校正。

　　要測量RTCC校正的溫度，設(shè)計人員可將一個常規(guī)結(jié)二極管連接到一個ADC引腳（見圖2）。根據(jù)充電時間測量單元（CTMU）中的恒流源，可通過ADC以測量二極管上正向電壓的方式來計算溫度。外部二極管的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何熱敏電阻或其他溫度傳感器。

　　圖2：充電時間測量單元（CTMU）溫度測量電路。

　　如果需要為時鐘晶振提供更可靠的電流驅(qū)動，設(shè)計人員可以選擇不同于眾多RTC模塊選項的高功率T1OSC/SOSC電路選項。

　　LCD：PIC18F87J90 MCU內(nèi)置的LCD驅(qū)動器在4復(fù)用模式下最高支持192像素。LCD在休眠模式下仍在工作。抄表員在斷電時可通過IR中斷或按下按鈕來喚醒LCD。

　　EMC/ESD：智能電表必須能夠承受惡劣的室外環(huán)境并抵御試圖篡改的行為。為此，PIC18 MCU提供了從上電復(fù)位（POR）、掉電復(fù)位（BOR）和WDT復(fù)位等狀態(tài)自動恢復(fù)的功能，以避免系統(tǒng)閉鎖。

　　能量計算：Microchip提供了免費(fèi)的PIC18F能量計算固件，可用于計算有功/無功能量、正向/反向能量、有功/無功/視在功率和RMS電流/電壓。源代碼向設(shè)計人員開放，供其定制。

　　圖3展示了采用PIC18F87J90系列設(shè)計的具有成本競爭力智能電表的解決方案。

　　圖3：PIC18F87J90智能電表框圖。

　　在中國，城市電網(wǎng)中的智能電表需要額外的通用I/O（GPIO）以滿足各種通信需求。對于不帶PLC的城市電網(wǎng)T型電表，設(shè)計人員可以使用集成了LCD、硬件RTCC和帶復(fù)用功能的GPIO引腳的PIC18F87K90 MCU系列。這些MCU的內(nèi)部振蕩器精度在+/-3%之內(nèi)，因而無需使用外部高頻晶振。K90系列可適應(yīng)1.8V～5.5V范圍的電源電壓，集成EEPROM并提供高達(dá)16 MIPS的性能。這些MCU還采用超低功耗技術(shù)，在深度休眠模式下的電流消耗僅為60nA，因而需要的電池更小。對于帶預(yù)付費(fèi)和PLC通信功能的城市電網(wǎng)K型電表（需要更多的GPIO），設(shè)計人員可以使用具有外部LCD和外部RTC的PIC18F67J11 MCU。

　　土耳其的智能電表設(shè)計人員更愿意使用單芯片解決方案，因為這樣可以使電路板空間更小并且設(shè)計簡單。PIC18F87J72系列帶有16位ADC彌補(bǔ)了PIC18F87J90系列的不足，同時保持相同的存儲空間和外設(shè)。

　　在南美、南非、東歐和中東的智能電表市場中，設(shè)計人員希望使用帶12位ADC的外部運(yùn)放來降低成本。PIC18F87J93系列為設(shè)計人員提供了集成的12位SAR ADC，同時保持與PIC18F87J90 MCU相同的外設(shè)和功能集。

　　設(shè)計人員可以輕松地將其設(shè)計從智能電表擴(kuò)展到基本電表，以獲得額外的市場份額。這些基本電表需要較小的存儲器、較少的通信接口和精度較低的RTC，因而價格較低。對于巴西和阿根廷的基本LCD電表市場，設(shè)計人員可以使用PIC18F85J90系列，該系列的閃存/RAM較小且具有簡單的基于Timer 1的RTC。對于中國農(nóng)村電表市場，設(shè)計人員可選擇價格更低的帶LCD驅(qū)動器和14 KB閃存的PIC16F1937 MCU。PIC16F19XX系列采用Microchip的8位架構(gòu)增強(qiáng)型中檔內(nèi)核。

　　為了防止被篡改，南非和巴西的預(yù)付費(fèi)電表放置在電線桿頂部。LCD顯示功能則從電表移至室內(nèi)顯示單元。為避免不必要的LCD驅(qū)動器成本，設(shè)計人員應(yīng)選擇與PIC18F LCD系列具有同等功能但無LCD的器件型號，這些系列提供28到80引腳封裝以及16到128 KB閃存，可滿足各種需求。

　　設(shè)計人員可選擇從單相智能電表移植到網(wǎng)絡(luò)（2相）和3相商用電表，這三種電表都使用相同的PIC18F87J90、K90或J72系列計算有功能量。以單相智能電表設(shè)計為起點，設(shè)計人員可添加一個單相AFE實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電表，添加兩個單相AFE實現(xiàn)3相電表。Microchip的MCP3901 AFE內(nèi)置延遲模塊，可輕松實現(xiàn)相移補(bǔ)償。

　　設(shè)計人員可以輕松支持上述設(shè)計，并利用平臺的以下好處在設(shè)計間移植：

　　PIC18F87J90、PIC18F87K90、PIC18F87J93和PIC18F85J90系列均集成LCD，其引腳相互兼容，支持設(shè)計在這些系列之間互相移植。這些MCU所對應(yīng)的無LCD系列器件的引腳也是兼容的，可根據(jù)存儲容量和性能要求進(jìn)行移植。固件可以重用于有LCD和無LCD電表實現(xiàn)方案中的所有PIC18F MCU。

　　高性能智能電表

　　高性能智能電表需要更強(qiáng)大的CPU處理能力、更多通信接口和更大的存儲器，但由于要進(jìn)行大規(guī)模電表部署，電表應(yīng)處于合理價位。作為Microchip 16位架構(gòu)的入門級系列，PIC24F MCU非常適合于移植自8位設(shè)計，且提高了性能和存儲器的成本敏感型應(yīng)用。

　　與單相智能電表相比，3相商用和工業(yè)電表必須支持以下附加功能：測量全部三個相上的電流和電壓，計算用于監(jiān)視設(shè)備效率的功率因數(shù)，GSM/GPRS和額外的RS-485通信，精度更高（例如IEC 0.2類電表）。

　　入門級16位架構(gòu)PIC24F256GA110系列可帶來經(jīng)濟(jì)高效的性能提升，并提供以下增強(qiáng)功能：

　　采用16位架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理更高效；CPU更快，速度達(dá)32 MHz/16 MIPS，且大多數(shù)指令均為單周期指令；四個硬件UART端口，更便于通信；16KB RAM的額外數(shù)據(jù)存儲器和通信緩沖區(qū)；從128 KB移植到256 KB閃存時，引腳間互相兼容；通過硬件I2C接口可輕松連接外部EEPROM和LCD；通過額外的SPI接口可輕松連接無線收發(fā)器；優(yōu)化的電路板布局，具有外設(shè)引腳選擇（Peripheral Pin Select，PPS）功能，允許在運(yùn)行時對多個外設(shè)分別進(jìn)行I/O映射；可靈活選擇64、80或100引腳封裝；休眠模式下的基本掉電電流典型值為4 μA（3.3V時）。

　　如需要更高性能，可將應(yīng)用輕松移植至PIC24H系列，使性能達(dá)到40MIPS。通過集成的DMA外設(shè)支持更高效的數(shù)據(jù)傳輸。對于35級以上的諧波分析，dsPIC DSC系列通過其集成的數(shù)字信號處理器（DSP）提供計算能力。

　　在西歐，支持設(shè)備語言報文規(guī)范（Device Language Message Specification，DLMS）的高級量測架構(gòu)（Advanced Metering Infrastructure，AMI）電表需要256KB以上的閃存和16KB以上的RAM。PIC32系列可解決此問題，其閃存最大為512KB，RAM最大為128KB。PIC32MX6系列還集成了USB、以太網(wǎng)、用于外部存儲器的并行主端口以及用于附加通信的額外串行端口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器設(shè)計。此外，PIC32 MCU還非常適合于電動車充電站應(yīng)用的開發(fā)。PIC32系列基于功能強(qiáng)大的MIPS32 M4K內(nèi)核。

　　對于基于互聯(lián)網(wǎng)的家庭能源監(jiān)視，智能電表必須將功耗數(shù)據(jù)發(fā)送到安全服務(wù)器。PIC MCU平臺可通過其16位和32位架構(gòu)以及免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧來支持該功能。例如，設(shè)計人員可以使用PIC24F/PIC24H/dsPIC或PIC32 MCU以及集成了Google PowerMeter API的免費(fèi)TCP/IP協(xié)議棧制造兼容Google PowerMeter的智能電表。

　　16位PIC24F/PIC24H/dsPIC和32位PIC32 MCU之間可共享外設(shè)。因此，設(shè)計人員可以輕松地從一種單片機(jī)方案移植到另一種，并在統(tǒng)一的MPLAB IDE下重用C語言代碼，從而確保各種高性能電表快速上市。

　　集成開發(fā)環(huán)境

　　MPLAB IDE是一款免費(fèi)的集成工具套件，用于對采用Microchip的PIC MCU和dsPIC DSC單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)。該IDE以32位應(yīng)用程序的形式運(yùn)行于Microsoft的Windows操作系統(tǒng)，使用簡便并且包含眾多免費(fèi)軟件組件，可快速開發(fā)應(yīng)用，并且具有超強(qiáng)的調(diào)試功能。MPLAB C編譯器針對所有PIC MCU和DSC對C語言編程進(jìn)行了高度優(yōu)化。

　　未來需求和可能的解決方案

　　智能計量方案在各個方面持續(xù)發(fā)展。未來的需求和解決方案將根據(jù)各個市場領(lǐng)域的需求而變化。例如：

　　預(yù)計低端智能電表將需要通過提高集成度進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本?？刹捎眉闪薒CD、額外串行端口（如4個以上的硬件UART），還可能集成帶有時鐘晶振的硬件RTCC的100引腳MCU。

　　此外，預(yù)計更高性能的智能電表將需要更高級別的安全性和更大的存儲器?？赡艿慕鉀Q方案包括帶有LCD、AES-128外設(shè)和DMA外設(shè)并支持向1MB以上閃存程序存儲器移植的16位/32位MCU。

　　更高的全球化程度允許設(shè)計人員參與世界各地的投標(biāo)，這需要更靈活的“全球電表”設(shè)計。一個可能的解決方案是便于修改且可在不同地區(qū)重用的“全球平臺”。這需要將多個架構(gòu)混合，以適應(yīng)不同的成本/性能結(jié)構(gòu)。盡管C語言可以跨不同架構(gòu)進(jìn)行編譯，但外設(shè)兼容性對于實際平臺解決方案而言極其重要?？梢岳猛庠O(shè)庫實現(xiàn)平滑的跨架構(gòu)移植和代碼重用。

　　本文小結(jié)

　　不同地理區(qū)域的智能計量解決方案不盡相同，并且隨時間推移而不斷變化。設(shè)計人員需要以盡可能最低的成本提供最佳且上市最快的解決方案。Microchip平臺提供了跨8位/16位/32位架構(gòu)的完整解決方案，并且所有解決方案均在統(tǒng)一的IDE下開發(fā)，從而使該設(shè)想成為可能。設(shè)計人員只需維護(hù)最少量的軟件代碼即可保證代碼能在不同的項目中重用。這就避免了因設(shè)計在不同市場和項目中的應(yīng)用，而多次購買軟件庫和開發(fā)工具許可證的需要，從而節(jié)省了公司的整體投資。隨著智能計量解決方案市場的持續(xù)發(fā)展，平臺方法將不斷提供成熟有效的方案，以跟上變化的步伐。