解决智能电表的设计问题 - 文章

解决智能电表的设计问题

作者：Freescale Semiconductor，Sunil Deep Maheshwari

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本文将重点介绍一些关键的计量问题，并使设计人员能够提前了解设计挑战，从而实现预定的目标。

采用智能电表让企业和工程师有更多机会设计出符合不断演进的全球标准的计量解决方案，这些解决方案能够满足未来需求，并将成为大众解决方案的一部分，即低成本解决方案。然而，要设计出成功的计量解决方案，还需要克服许多难题。

很多时候，开发计量芯片的设计人员甚至没有意识到计量解决方案所面对的挑战和需求。在这种情况下，设计人员很容易出现设计问题，使产品因为小的设计缺陷而无法用于最终解决方案。

本文将介绍计量SoC（片上系统）设计中的一些主要问题，并提出一些能够实现预期目标的解决方案。同时，本文还使SoC设计人员能够提前了解挑战，从而能够从容应对并设计出有效的解决方案。

挑战1：精确度

精确度是计量应用获得成功的关键，因为服务提供商绝不会采用无法准确测量的仪表。精确度对于电表应用来说更加重要，因为与天然气/水/流量表相比，电表对于模拟片上组件的依赖性非常高。通常，电表使用片上ADC（模数转换器）测量电流和电压（因为片外ADC会增加最终解决方案的价格）。另一方面，燃气/流量计使用片外传感器感应水流/燃气流的速度。

这些传感器能够以一系列脉冲的形式提供数字输出，这些输出与流速成正比。由于这些传感器一般都采用数字接口，因此整体精度对SoC（片上系统）的依赖性较低，更多地依赖于外部传感器。

另一方面，对于电能计量，精确度取决于两个方面-输电线如何与仪表相接（使用变压器、传感器、Rogowski线圈等）以及片上AFE（模拟前端）对电压和电流的测量精度。

因此，对于燃气表/水表/流量表来说，精度在很大程度上取决于所连接的传感器的精度。对于电表，精度取决于两个因素-SoC的AFE和SoC的片外模拟接口。下面我们将逐个进行讨论。

模拟前端 (AFE)。从客户的角度来说，AFE的精度是最重要的因素。通常情况下，ADC的结果决定SoC的可扩展性。

模拟系统的精度主要取决于ADC的选择。西格玛-德尔塔(SD)和逐次逼近(SAR)是计量应用中最常用的ADC。这两种ADC都有其各自的优缺点。

SAR ADC使用逐次逼近算法，SD ADC使用过采样技术对输入进行采样，并执行转换。SAR ADC非常适用于功率敏感型应用。

然而，它们可能不适合在非常嘈杂的环境中使用。因此，根据ADC的性能和用例环境，可以在ADC输入端使用低通滤波器过滤噪声。同时，与SD ADC相比，它们还具有较低的稳定时间- 稳定ADC以给出准确转换值所需的时间。

因此，SAR ADC更加适用于需要快速切换输入通道的应用，快速切换通道会导致快速改变输入电平。SD ADC需要高频率时钟，从而缩短稳定时间。因此，这会提高解决方案的最终成本并增加功耗。

负载线接口能耗计算需要在电流和电压值之间执行多次乘法和加法运算。确定输入负载电压很容易；然而，确定电流消耗的确有些困难。

家庭/工业/建筑物消耗的总电流不能馈送到芯片。然而，可以确定一个比例值（电流或电压）并馈送到AFE，然后使用ADC进行测量。

电流和电压测量的比例因子是不变的，因此可以进行适当的计算。这种“电流测量”过程的一个限制是需要有能够直接测量电流的低成本ADC。

另一种选择是使用已知的负载电阻将该电流转换成相应的电压，然后通过ADC测量该电压，它对应于实际的电流消耗。这为电流测量提供了更可行的低成本解决方案，并且有各种技术可用于电流测量。一些使用最广泛的技术包括-分流电阻器、Rogowski线圈、电流互感器。

分流电阻器技术使用放置在负载电流线路上的小（分流）电阻器。当负载电流通过该电阻时，会形成一个小的电压降。这个电压降作为输入馈送到AFE中，后者可以测量相应的电流消耗。

电流互感器(CT)方法与普通变压器的工作方式相同，负载电流（已消耗电流）磁通在二级CT 线圈中生成少量电流，然后将电流通过负载电阻器，将其转换成相应的电压，然后再馈送到MCU 的AFE。

Rogowski线圈是另一种测量电流的方法（下图1）。这类线圈对于变化较大的电流也有不错的测量效果。然而，它们以时间差分形式提供输出。这就是需要一个合成器获得相应电流值的原因。

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图1. Rogowski线圈结构

对比上述三种方式，分流电阻器技术是最便宜的；然而，该技术很难满足高电流测量要求，并且存在DC偏移的问题。电流互感器(CT)能够比分流电阻器技术测量更多的电流，然而，它们本身也存在问题-它们的成本更高，存在饱和、滞后和DC/高电流饱和等问题。

第三种Rogowski线圈法的测量范围比CT小，对大电流范围表现出较好的线性特性，也不存在饱和、滞后或DC/高电流饱和问题。

然而，它的成本只比分流电阻器略微高一点。考虑到电流变化和消耗类型，分流电阻器技术主要用于消费/住宅应用，Rogowski线圈在工业应用中的使用更广泛。

挑战2：电流消耗

SoC的电流消耗是影响应用/解决方案的电池寿命的主要因素。因此，在电池供电模式下运行的应用要求SoC具有非常底的电流消耗。燃气计／流量计不与电源直接连接。因此，它们只能由电池进行供电。因此，与电表相比，这些应用对电流更加敏感。这一特性非常重要，因为计量表的平均使用寿命约为15年，客户当然不希望每隔几年就更换电池。

因此，与电表相比，燃气/流量计应用对这些限制更加敏感。在典型燃气/流量计解决方案中，仪表大多数时间都保持在低能耗状态。它将定期隔唤醒以计算能量消耗，存储数值，并可能重置脉冲计数器等。

另外，燃气/水/热量的消耗模式不同于电能，因为它们不像电那样无时无刻不在使用。因此，内核不必总是处于通电状态。“低功率模式电流”将扮演重要的角色。许多公司认为低功耗模式电流的范围是1.1 μA- 2 μA（休眠模式待机电流）。

另一个关注领域是SoC的启动时间及相关的电流消耗。由于应用要求仪表必须定期唤醒，因此启动时间和启动电流将非常关键。因此，此类SoC中使用的内核比处理速度等其它因素更加重要。

挑战3：安全、防护和检测

安全性、篡改保护和检测性能主要取决于最终应用的复杂性。满足这项要求可以很简单，只需要能够检测到是否有人试图打开仪表盖，或是否非法访问SoC并更改计费软件。

但是，也可能会非常复杂，要让连接以太网的仪表能够防止黑客攻击或保护仪表中的用户数据，这是GPRS/CDMA/ZigBee网络解决方案的一部分。这些要求存在很大的差异，因为计量能够或应该能够支持不同类型的解决方案。

对于独立解决方案，仪表不属于基于网络的计量解决方案的一部分，抄表和计费都是手动进行的，对安全性、防护和检测的要求会很低，因为攻击单个仪表不会影响其它仪表。因此，服务提供商可能会选择前面提到的比较简单的检测方案。

在仪表窗口和仪表盖之间形成一个电流路径便可以检测仪表盖是否被打开。只要有人试图打开仪表，该电流会被中断，对于篡改电表的操作也是如此。

使用密码保护SoC 内部寄存器可以防止有人未经授权对SoC进行重新编程。除非有正确的密码，否则无法重新编程，任何此类失败的尝试都会显示为篡改企图。

对于基于网络的解决方案，仅仅通过检测或简单的密码保护不能解决安全问题。需要更加严格的保护，因为仪表是网络的一部分，如果一个节点（仪表）受到黑客攻击，那么整个网络都会暴露给黑客攻击。

在这些情况下，安全性分为软件和硬件层，这两个层又进一步划分为多个层。为了解决这些问题，行业制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN 14908等许多协议。

计量革命的兴起很大程度上取决于智能电表所支持的通信模式的发展。这类通信对安全性提出了很高的要求。因为在所有通信模式当中，这类通信模式会使仪表/仪表网络最容易遭受黑客攻击。

以基于智能卡的预付费计量为例。这种解决方案使用SPI（串行外设接口）在智能卡和仪表MCU之间传输数据。智能卡将数额存储在其内部存储器中，插入仪表后，仪表会根据消耗量不断扣除数额。

简单的攻击行为可能是对智能卡进行重新编程或复制。在这种情况下，防止此类篡改的一种方法是对存储在智能卡里的数据（如真实性数据和数额）进行加密。仪表首先解密这些数据，然后再进行处理。

在智能卡上写回数据时，会遵循同样的加密流程。这样，只要加密算法和加密密钥没有被暴露，仪表就会受到保护。事实上，无论采用哪种通信方式，几乎所有的计量解决方案都使用加密功能，以保证安全性不会受到损害。

加密的类型和复杂性主要取决于所使用的通信协议类型。GPS/GPRS/CDMA、以太网等通信协议需要更加复杂的加密。因此，还采用了特殊硬件以降低软件依赖性，同时，通过减少内核开销增强了芯片性能。

挑战4：即时软件更新

由于更换仪表涉及高昂费用，因此服务提供商希望仪表的使用时间能够超过十年，甚至多达15年。因此，设计人员在设计SoC时应该使其硬件能够满足未来需求，如：收费方案变更、分时段计量、夏令时变更等，而不必更换仪表，也不会中断为消费者提供的服务。

这向设计人员提出了两个挑战-一个挑战是SoC如何在仪表工作时进行软件升级，第二个挑战是无缝切换到新固件，同时这种变化不会导致服务中断。

第一步是确保在不需要切断电源或关掉仪表的情况下将补丁从外部源转移到SoC。第二步是在不关闭系统的情况下启动该补丁，使新固件可以生效。

但是，取决于SoC的复杂性和智能程度，将数据从外部加载器传输到SoC的方式与SoC之间的传输是不同的。基本的电表SoC可能没有GPRS或以太网等高级外设。

在这种情况下，简单的外设，如：SCI（串行通信接口）、SPI（串行外设接口）或I2C（IC间通信），可用来将数据（补丁）从外部源传输到SoC。然而，这会涉及内核，因为内核需要读取外设的数据寄存器，然后执行闪存写入操作。

通过采用能够直接连接存储器和外部世界的外设，可以最大程度地降低这项要求。这样，内核能够在将新软件加载到存储器的同时执行其它任务。可以使用DMA轻松地将数据传输到存储器，不需要内核介入。

然而，上面讨论的所有方法都面临一个重大挑战-更新流程基本上是手动完成的，人们需要手动连接固件加载器和SPI、SCI或USB。这会增加固件更新的费用。

使用ZigBee收发器、GPRS/GSM/CDMA、以太网、PLC等高级通信方式可以更高效地进行固件更新。如果使用ZigBee收发器，通过手持设备就能够建立与仪表的无线连接，确定其真实性，然后进行数据传输。这不会完全消除人工操作，但是通过加速整个操作过程，大大减少了手动操作。

其它模式，如：以太网、GPRS/GSM/CDMA、PLC等不需要任何人工介入。服务提供商的中央服务器会根据指令将软件代码传输到SoC，也会根据该指令建立网络。对SoC进行编程，使其把接收到的数据保存在内部存储器，然后软件重置会发起软件更新流程。

该问题涉及的另一部分是，要在不关闭系统的情况下从内核执行代码。该架构可以支持启动选项编程，可对SoC进行编程，从而在下一个低功率或软件生成的重置时从另一个指定位置启动。还可以使该架构选择从RAM启动，以便新代码可以保存到RAM，然后在下一次重置/低功率模式恢复时，系统可以从RAM启动，而不是从闪存启动，然后新的更新将生效[3]。

挑战5：数据处理

随着系统/解决方案推出越来越多的功能，仪表需要控制的任务和处理的数据也大幅增加。因此，根据应用和SoC内核的负载，设计人员可能决定迁移到32位内核或者采用强大的DSP（数字信号处理）内核，使应用（通信等）和计量部件不会互相影响。

通过在SoC中采用额外硬件，还可以分担内核的计算工作量，额外的硬件只负责各种计算工作，因为计量应用是高度计算密集型的应用。

数据汇集器和计量网关受系统据处理能力的影响最大，因为它们需数要处理大量数据。同时，它们需要支持用户接口，进一步增加了相关的数据处理复杂性和相应的要求。因此，未来可能会推出多核SoC以支持庞大的网络。

挑战6：更快速、更可靠的通信

测量消耗量只是问题的一部分（下图2）。迄今为止，全球的大多数仪表都需要手动抄表。这是因为传统仪表无法支持联网解决方案。这种手动抄表不仅增加了运营成本，还容易引入人为错误。

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图2：解决方案的各种仪表联网选项简图

因此，对于有效的解决方案，仪表还应提供支持联网解决方案的能力，并能将数据传输到仪表网络，以便实现自动抄表。电表抄表传输的一个主要问题是存在电噪声。

因此，通信模式应能够承受噪声而不破坏数据。因此，仪表应能够以支持错误检测和清除的格式生成输出，即使数据由于噪声而失真，也能够从接收数据包恢复。同时，所有此类加密都增加了要传输的数据的大小。

因此，数据传输速度也很重要。目前，有多种数据传输模式。其中最常见的包括GPRS、以太网、电力线通信、ZigBee、红外线收发器等。

通信模式将根据最终应用进行选择，如ZigBee/IR（红外线）收发器可能更适用于仪表与基站进行无线交互以传输数据的仪表网络，基站把从许多仪表（复杂情况下为100米）收集到的数据发送到使用有线通信的中心站。更多信息详见“新时代智能电表架构”。 [1].

结论

如今，计量演进的速度非常惊人，设计人员需要做好准备，预见将来会出现的问题和挑战。除非设计人员积极应对问题和挑战，否则我们将无法提供既能够满足未来需求又能塑造未来世界的产品。一个巨大的挑战是提供能够解决上述问题和其它问题的单芯片解决方案。前面提到的问题仅仅是个开始，我们还将面临更多的问题。

参考文件
1. ”Architecting" the New Age Smart Utility Meters 作者：Sunil Deep Maheshwari
2. Getting basic utility meter designs ready for the Smart Grid ，作者：Sunil Deep Maheshwari,
3. MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet
4. Analog to Digital Convertors
5. 计量解决方案，来源：飞思卡尔。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/21/2012)


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