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基本及智能仪表的构成要素

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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)

来源:维库开发网

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