基本及智能仪表的构成要素

您有没有想过，为什么有这么多的专用集成电路(ASIC)设计公司在讨论计量SoC及相关解决方案？为什么每家公司都想设计出一个计量SoC？为何关于计量的讨论如此之多？

答案就是利润驱动该业务增长。世界各地的企业都意识到其中的巨大商机，理由有两点：美国与欧洲正着手更换现有公用仪表，预计到2015年将更换超过45%；在中国、印度、巴西等发展中国家，消费群和工业用户群不断膨胀，存在巨大需求。

根据预测，2010年至2015年公用仪表及相关通信市场的需求将达195亿美元，智能仪表出货量预计超过2亿。图1中的数据来源于不同的资料，与上述数据相吻合。

图1：2008～2012年间仪表需求量预测。

因此，许多企业正在尝试开发SoC解决方案，都想抓住这一赚钱机会。本文旨在为设计基本公用仪表架构提供指导，可解决现在基本公用计量的目标与应用，包括用量计量、防篡改保护、时间记录、仪表读数显示和传送。

基本公用仪表组件

上述所有功能可通过图2中的各个模块实现。包括：模拟前端，用于计量电流和电压(电表)或热量(暖气表)或模拟传感器的输出(流量计/煤气表)；流量/煤气测量单元，使用数字/模拟传感器输出计算使用量(流量计/煤气表)；防篡改保护和检测逻辑；RTC(实时时钟)，用于记录时间；通信外设，用于与外通信，如采用ZigBee收发器、射频收发器或其他SoC；显示屏驱动器，用于诸如显示仪表读数、日期时间及其它信息等数据；内核功能，用于处理数据，计算用量以及执行其它任务；存储器，用于保存仪表读数、篡改时间等数据。

图2：公用仪表的组成模块。

下面让我们来详细探讨各个模块。

模拟前端(感应和计量输入)：我们需要计量所有三相的输入电压和电流、中性线电流，才能计算用电量。这些数据可使用电流互感器和传感器轻松计量。

所有这些数据都馈入模拟模块，包括可安装在SoC外的可编程增益放大器(PGA)、滤波器和ADC(图3)。将电路互感器或传感器的原始输入值馈入PGA，然后经过过滤及必要的多路复用处理后馈入ADC。多路复用可以是ADC的一部分。这些ADC计量上述数据，将结果传送给内核处理功能。

图3：模拟接口。

有时，电流互感器和传感器的输出不在ADC要求的范围内，不符合转换的精确性要求。在这种情况下，使用PGA来扩大输入值范围，以提供所要的结果。根据使用情况及SoC成本，这些PGA既可安装在SoC内部，也可安在外部，因为它们的耗电更大，也会产生大量的片内噪声。

使用滤波器清除输入信号中的噪声成分。使用50至60赫兹中心频率的带通(BP)滤波器来传递所要的结果，以方便电表计量。单相电表在SoC上有两个ADC，分别用于计量电流与电压。每增加一个相位，ADC的数量也加1。

这种情况下选择ADC特别困难(计量)。准确度、功耗和速度是决定ADC选择的主要因素。最常见的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)两种ADC。

两种ADC各有优劣。因此，ADC的选择在很大程度上取决于SoC的用途与预算。SAR ADC使用采样保持技术。它们在特定的时刻捕获输入数据，然后不断将数据与内部DAC输入值对比，进一步调整内部DAC输入值，使其接近捕获的输入值。每次转换时，相应的DAC输出值被数字化并保存在SAR寄存器中。

SAR ADC的分辨率较好，第一次转换延迟较低，取值范围较大。它们对于输入通道值的变化很敏感，而输入通道的带宽又极高。但是，这些类型的ADC由于重复减除和对比而存在线性误差。

在SD ADC中，在某段时间内过度采样输入信号，然后过滤所要的信号频带，然后平均数字化。SD ADC是反馈闪烁型ADC。它们利用闪烁型ADC的高转换速度，其转换时间短至数纳秒，用于8位操作。闪烁型ADC的结果存在大量错误。然后反馈此输出，并从输入值中减去输出值。这将导致噪声整形，从而降低噪音[参考文献4]。

因此，SD ADC的噪声响应比SAR ADC好，因为SAR ADC只抽取单点样本。但是，SAR ADC的输入响应优于SD ADC。因此，当应用需要快速响应、低延迟以及多通道数据捕获时，SAR更合适。但如果是在嘈杂的环境中，需要高精确度和高分辨率，则应该选择SD ADC[参考5]。通常在计量应用中，低端解决方案有SAR ADC，而高端SoC则有SD ADC，以提供更加抗噪的转换结果。

来源：维库开发网 [p]

内核与存储器(计算与保存用量数据)：涉及用量数据的密集型计算，通常由核心功能来完成。计量涉及有功功率、无功功率、负荷因子和实际功率的计量。有功功率是电压与电流同相时的功率的组成部分。如果不同相，则属于无功功率。电感或电容性负荷的电流分别落后和超前于电压。

尽管无功功率无助于任何功率传输，并且纯无功负荷的净能量流为零，则此无功功率会产生大量的热。这就需要更高质量的电流互感器和更粗的电线，以传送更大的电流，同时还会产生更多的热量，这一切都会导致能量分布成本的提高。

图4：电压、电流、功率和平均功率的关系。[资料来源：维基百科]

因此，如果消费者使用无功负荷，能源提供商会向其收取罚金，罚金等于实际能耗除以功率因子。由于功率因子(负荷因子)总是小于1，此算法可有效增加消费者的PCU。

这就是要计算负荷因子的原因，负荷因子用于计算视功率。视功率等于实际功率与负荷因子比，实际功率是等于电流值和电压值的平方根的积。

上述内容说明，对于计量应用，核心功能须进行大量的计算处理，如计算电流值和电压值的平方根、平方根的积，然后就平均值等。因此，计量应用的选择核心是DSP核心，因为它能快速完成数学运算。

有时，核心上的此处理负荷也可以分流，方法是在平台上添加一个MAC(乘/加)模块，由该模块完成大部分计算。同时，释放核心，用于其它运算，如通信、显示和监控(主要用于智能计量)。

片内存储器对于计价也起着重大作用。存储器大小范围低至256B内存和8kB闪存，高至26kB内存和264kB闪存，具体取决于应用。在稍微更高级的应用中，可能需要高达2MB闪存和512kB内存[参考文献6]。

流量/煤气计量逻辑：该模块可包括可编程计数器、比较器和一个脉冲宽度调制器等。气体/液体流速可用数字旋转传感器(数字输出)或模拟旋转传感器(模拟输出)来计量。

如果使用数字传感器，传感器的脉冲列输出馈入模块中的计数器，计数器值增加。此计数对应于消费者的能耗，可定期读取。如果使用模拟传感器，可用比较器生成一系列脉冲，它们将馈入此模块中的计数器。

显示和传送仪表读数：计量应用的另一个重要方面是显示和传送仪表读数，以便向消费者收取费用。可能最常用7段液晶玻璃显示屏来显示当前的仪表读数。它显示计数器的当前值，以便操作员记下仪表读数。

某些SoC中可能包含液晶驱动芯片，因此使用外置液晶驱动芯片。这些情况下，SoC需要将数据传送到驱动芯片。这可通过SoC上的通信外设来完成，使用一个I2C、SPI、UART接口和协议。

仪表读数也能通过ZigBee收发器或红外收发器，无线传送到远程液晶驱动芯片或数据记录分站。这种情况下，可能需要调制传送数据，然后再发送给发送机(如红外通信)。这只需使用脉冲宽度调制器等外设进行想要的调制，即可轻松完成。然后将对应的调制载波发送到SPI，SPI再将数据加载到载波上，并将载波从SoC发出。

防篡改保护和时间记录：防窃保护对于计量应用至关重要，因为它可防止供应商/经销商受到商业损失。消费者可能尝试篡改仪表，使之停止或倒转，从而使仪表读数小于实际用量。因此，这对于防止此类行为起到了非常重要的作用。

给SoC添加检测篡改的功能有好几种方法。但是，对于计量应用，最有效的方法是将该功能与实时时钟相集成。这样，只需用一个模块就能有效地检测到篡改及相应的日期时间戳。任何篡改尝试都会与篡改事件时间戳一起记录在内部存储器中。

仪表还能通过某个闪烁的LED提示篡改情况，或者在液晶显示屏上显示篡改事件及其时间戳。这样，当抄表员来抄表时，就可以采取措施进行纠正。

时间记录功能也很重要，因为仪表必须定期求平均值，具体间隔时间取决于应用。为此，RTC可通过定期中断指示核心完成上述操作。根据开放式计量系统规范指南，表1显示了求平均值的间隔时间：

表1：不同应用的平均持续时间。

RTC还可实施一个机制，只允许经过授权的人员访问其寄存器，从而防止RTC寄存器受到黑客攻击(禁用篡改检测等功能)。而且，RTC也应该能够在出现主电源故障时运行在电池模式下。这样，即使断电，仪表也能照常执行篡改检测的关键任务。

但是，这就需要一个低功耗运行的设计架构，使仪表电池能够在正常运转下维持较长的使用寿命。这对于只使用电池工作的流量计/煤气表特别重要。这种情况下，SoC的电池使用寿命至少要达到十至十五年。

这样，在设计SoC时应该考虑某些问题，包括在停止模式下耗电的功能模块、核心功能从停止模式启动所需的时间以及停止模式恢复的电流消耗。同时，停止模式下的电流消耗量也至关重要，因为关系到SoC的停止模式耗电量。当前业界典型的停止模式电流大约为0.5uA，典型的正常运转电流大约为4.3mA。

发展前景

前文探讨了一个典型的低端基本公用仪表架构。但是，上述所有功能与模块并不是计量SoC的最终发展目标，它们只是关于计量应用未来发展的一些启示。

越来越多的USB和以太网等外设将集成到下一代计量SoC(即智能仪表)中。当前，公用仪表不仅执行计量、保护等功能，而且还执行其它多种任务：例如，它能通过一个智能触摸屏与消费者进行交互，并显示当前的能耗。它还能监控家庭/办公室的每个设备，并提示每个设备的能耗。通过互联网，消费者可以远程操纵设备，例如，在办公室打开家里的空调，这样一到家里就能感受到清凉舒适的效果。

同时，AMR(自动抄表)正在经历一个长期的革命阶段，可安装预付费仪表，使用IR/ZigBee收发器或通过互联网或GPRS来抄表。智能电网也将在抄表、故障定位等方面给计量技术带来革命性变化。这必将成为"智能计量"的开端。

（作者：Sunil Deep Maheshwari 飞思卡尔半导体）