您有沒有想過，為什么有這么多的專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)公司在討論計(jì)量SoC及相關(guān)解決方案？為什么每家公司都想設(shè)計(jì)出一個(gè)計(jì)量SoC？為何關(guān)于計(jì)量的討論如此之多？
答案就是利潤驅(qū)動該業(yè)務(wù)增長。世界各地的企業(yè)都意識到其中的巨大商機(jī)，理由有兩點(diǎn)：美國與歐洲正著手更換現(xiàn)有公用儀表，預(yù)計(jì)到2015年將更換超過45%；在中國、印度、巴西等發(fā)展中國家，消費(fèi)群和工業(yè)用戶群不斷膨脹，存在巨大需求。
根據(jù)預(yù)測，2010年至2015年公用儀表及相關(guān)通信市場的需求將達(dá)195億美元，智能儀表出貨量預(yù)計(jì)超過2億。圖1中的數(shù)據(jù)來源于不同的資料，與上述數(shù)據(jù)相吻合。
圖1：2008～2012年間儀表需求量預(yù)測。
因此，許多企業(yè)正在嘗試開發(fā)SoC解決方案，都想抓住這一賺錢機(jī)會。本文旨在為設(shè)計(jì)基本公用儀表架構(gòu)提供指導(dǎo)，可解決現(xiàn)在基本公用計(jì)量的目標(biāo)與應(yīng)用，包括用量計(jì)量、防篡改保護(hù)、時(shí)間記錄、儀表讀數(shù)顯示和傳送。
基本公用儀表組件
上述所有功能可通過圖2中的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。包括：模擬前端，用于計(jì)量電流和電壓(電表)或熱量(暖氣表)或模擬傳感器的輸出(流量計(jì)/煤氣表)；流量/煤氣測量單元，使用數(shù)字/模擬傳感器輸出計(jì)算使用量(流量計(jì)/煤氣表)；防篡改保護(hù)和檢測邏輯；RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，用于記錄時(shí)間；通信外設(shè)，用于與外通信，如采用ZigBee收發(fā)器、射頻收發(fā)器或其他SoC；顯示屏驅(qū)動器，用于諸如顯示儀表讀數(shù)、日期時(shí)間及其它信息等數(shù)據(jù)；內(nèi)核功能，用于處理數(shù)據(jù)，計(jì)算用量以及執(zhí)行其它任務(wù)；存儲器，用于保存儀表讀數(shù)、篡改時(shí)間等數(shù)據(jù)。
圖2：公用儀表的組成模塊。
下面讓我們來詳細(xì)探討各個(gè)模塊。
模擬前端(感應(yīng)和計(jì)量輸入)：我們需要計(jì)量所有三相的輸入電壓和電流、中性線電流，才能計(jì)算用電量。這些數(shù)據(jù)可使用電流互感器和傳感器輕松計(jì)量。
所有這些數(shù)據(jù)都饋入模擬模塊，包括可安裝在SoC外的可編程增益放大器(PGA)、濾波器和ADC(圖3)。將電路互感器或傳感器的原始輸入值饋入PGA，然后經(jīng)過過濾及必要的多路復(fù)用處理后饋入ADC。多路復(fù)用可以是ADC的一部分。這些ADC計(jì)量上述數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳送給內(nèi)核處理功能。
圖3：模擬接口。
有時(shí)，電流互感器和傳感器的輸出不在ADC要求的范圍內(nèi)，不符合轉(zhuǎn)換的精確性要求。在這種情況下，使用PGA來擴(kuò)大輸入值范圍，以提供所要的結(jié)果。根據(jù)使用情況及SoC成本，這些PGA既可安裝在SoC內(nèi)部，也可安在外部，因?yàn)樗鼈兊暮碾姼�，也會產(chǎn)生大量的片內(nèi)噪聲。
使用濾波器清除輸入信號中的噪聲成分。使用50至60赫茲中心頻率的帶通(BP)濾波器來傳遞所要的結(jié)果，以方便電表計(jì)量。單相電表在SoC上有兩個(gè)ADC，分別用于計(jì)量電流與電壓。每增加一個(gè)相位，ADC的數(shù)量也加1。
這種情況下選擇ADC特別困難(計(jì)量)。準(zhǔn)確度、功耗和速度是決定ADC選擇的主要因素。最常見的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)兩種ADC。
兩種ADC各有優(yōu)劣。因此，ADC的選擇在很大程度上取決于SoC的用途與預(yù)算。SAR ADC使用采樣保持技術(shù)。它們在特定的時(shí)刻捕獲輸入數(shù)據(jù)，然后不斷將數(shù)據(jù)與內(nèi)部DAC輸入值對比，進(jìn)一步調(diào)整內(nèi)部DAC輸入值，使其接近捕獲的輸入值。每次轉(zhuǎn)換時(shí)，相應(yīng)的DAC輸出值被數(shù)字化并保存在SAR寄存器中。
SAR ADC的分辨率較好，第一次轉(zhuǎn)換延遲較低，取值范圍較大。它們對于輸入通道值的變化很敏感，而輸入通道的帶寬又極高。但是，這些類型的ADC由于重復(fù)減除和對比而存在線性誤差。
在SD ADC中，在某段時(shí)間內(nèi)過度采樣輸入信號，然后過濾所要的信號頻帶，然后平均數(shù)字化。SD ADC是反饋閃爍型ADC。它們利用閃爍型ADC的高轉(zhuǎn)換速度，其轉(zhuǎn)換時(shí)間短至數(shù)納秒，用于8位操作。閃爍型ADC的結(jié)果存在大量錯(cuò)誤。然后反饋此輸出，并從輸入值中減去輸出值。這將導(dǎo)致噪聲整形，從而降低噪音[參考文獻(xiàn)4]。
因此，SD ADC的噪聲響應(yīng)比SAR ADC好，因?yàn)镾AR ADC只抽取單點(diǎn)樣本。但是，SAR ADC的輸入響應(yīng)優(yōu)于SD ADC。因此，當(dāng)應(yīng)用需要快速響應(yīng)、低延遲以及多通道數(shù)據(jù)捕獲時(shí)，SAR更合適。但如果是在嘈雜的環(huán)境中，需要高精確度和高分辨率，則應(yīng)該選擇SD ADC[參考5]。通常在計(jì)量應(yīng)用中，低端解決方案有SAR ADC，而高端SoC則有SD ADC，以提供更加抗噪的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
內(nèi)核與存儲器(計(jì)算與保存用量數(shù)據(jù))：涉及用量數(shù)據(jù)的密集型計(jì)算，通常由核心功能來完成。計(jì)量涉及有功功率、無功功率、負(fù)荷因子和實(shí)際功率的計(jì)量。有功功率是電壓與電流同相時(shí)的功率的組成部分。如果不同相，則屬于無功功率。電感或電容性負(fù)荷的電流分別落后和超前于電壓。
盡管無功功率無助于任何功率傳輸，并且純無功負(fù)荷的凈能量流為零，則此無功功率會產(chǎn)生大量的熱。這就需要更高質(zhì)量的電流互感器和更粗的電線，以傳送更大的電流，同時(shí)還會產(chǎn)生更多的熱量，這一切都會導(dǎo)致能量分布成本的提高。
圖4：電壓、電流、功率和平均功率的關(guān)系。[資料來源：維基百科]
因此，如果消費(fèi)者使用無功負(fù)荷，能源提供商會向其收取罰金，罰金等于實(shí)際能耗除以功率因子。由于功率因子(負(fù)荷因子)總是小于1，此算法可有效增加消費(fèi)者的PCU。
這就是要計(jì)算負(fù)荷因子的原因，負(fù)荷因子用于計(jì)算視功率。視功率等于實(shí)際功率與負(fù)荷因子比，實(shí)際功率是等于電流值和電壓值的平方根的積。
上述內(nèi)容說明，對于計(jì)量應(yīng)用，核心功能須進(jìn)行大量的計(jì)算處理，如計(jì)算電流值和電壓值的平方根、平方根的積，然后就平均值等。因此，計(jì)量應(yīng)用的選擇核心是DSP核心，因?yàn)樗芸焖偻瓿蓴?shù)學(xué)運(yùn)算。
有時(shí)，核心上的此處理負(fù)荷也可以分流，方法是在平臺上添加一個(gè)MAC(乘/加)模塊，由該模塊完成大部分計(jì)算。同時(shí)，釋放核心，用于其它運(yùn)算，如通信、顯示和監(jiān)控(主要用于智能計(jì)量)。
片內(nèi)存儲器對于計(jì)價(jià)也起著重大作用。存儲器大小范圍低至256B內(nèi)存和8kB閃存，高至26kB內(nèi)存和264kB閃存，具體取決于應(yīng)用。在稍微更高級的應(yīng)用中，可能需要高達(dá)2MB閃存和512kB內(nèi)存[參考文獻(xiàn)6]。
流量/煤氣計(jì)量邏輯：該模塊可包括可編程計(jì)數(shù)器、比較器和一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器等。氣體/液體流速可用數(shù)字旋轉(zhuǎn)傳感器(數(shù)字輸出)或模擬旋轉(zhuǎn)傳感器(模擬輸出)來計(jì)量。
如果使用數(shù)字傳感器，傳感器的脈沖列輸出饋入模塊中的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器值增加。此計(jì)數(shù)對應(yīng)于消費(fèi)者的能耗，可定期讀取。如果使用模擬傳感器，可用比較器生成一系列脈沖，它們將饋入此模塊中的計(jì)數(shù)器。
顯示和傳送儀表讀數(shù)：計(jì)量應(yīng)用的另一個(gè)重要方面是顯示和傳送儀表讀數(shù)，以便向消費(fèi)者收取費(fèi)用。可能最常用7段液晶玻璃顯示屏來顯示當(dāng)前的儀表讀數(shù)。它顯示計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，以便操作員記下儀表讀數(shù)。
某些SoC中可能包含液晶驅(qū)動芯片，因此使用外置液晶驅(qū)動芯片。這些情況下，SoC需要將數(shù)據(jù)傳送到驅(qū)動芯片。這可通過SoC上的通信外設(shè)來完成，使用一個(gè)I2C、SPI、UART接口和協(xié)議。
儀表讀數(shù)也能通過ZigBee收發(fā)器或紅外收發(fā)器，無線傳送到遠(yuǎn)程液晶驅(qū)動芯片或數(shù)據(jù)記錄分站。這種情況下，可能需要調(diào)制傳送數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送給發(fā)送機(jī)(如紅外通信)。這只需使用脈沖寬度調(diào)制器等外設(shè)進(jìn)行想要的調(diào)制，即可輕松完成。然后將對應(yīng)的調(diào)制載波發(fā)送到SPI，SPI再將數(shù)據(jù)加載到載波上，并將載波從SoC發(fā)出。
防篡改保護(hù)和時(shí)間記錄：防竊保護(hù)對于計(jì)量應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樗煞乐构⿷?yīng)商/經(jīng)銷商受到商業(yè)損失。消費(fèi)者可能嘗試篡改儀表，使之停止或倒轉(zhuǎn)，從而使儀表讀數(shù)小于實(shí)際用量。因此，這對于防止此類行為起到了非常重要的作用。
給SoC添加檢測篡改的功能有好幾種方法。但是，對于計(jì)量應(yīng)用，最有效的方法是將該功能與實(shí)時(shí)時(shí)鐘相集成。這樣，只需用一個(gè)模塊就能有效地檢測到篡改及相應(yīng)的日期時(shí)間戳。任何篡改嘗試都會與篡改事件時(shí)間戳一起記錄在內(nèi)部存儲器中。
儀表還能通過某個(gè)閃爍的LED提示篡改情況，或者在液晶顯示屏上顯示篡改事件及其時(shí)間戳。這樣，當(dāng)抄表員來抄表時(shí)，就可以采取措施進(jìn)行糾正。
時(shí)間記錄功能也很重要，因?yàn)閮x表必須定期求平均值，具體間隔時(shí)間取決于應(yīng)用。為此，RTC可通過定期中斷指示核心完成上述操作。根據(jù)開放式計(jì)量系統(tǒng)規(guī)范指南，表1顯示了求平均值的間隔時(shí)間：
表1：不同應(yīng)用的平均持續(xù)時(shí)間。
RTC還可實(shí)施一個(gè)機(jī)制，只允許經(jīng)過授權(quán)的人員訪問其寄存器，從而防止RTC寄存器受到黑客攻擊(禁用篡改檢測等功能)。而且，RTC也應(yīng)該能夠在出現(xiàn)主電源故障時(shí)運(yùn)行在電池模式下。這樣，即使斷電，儀表也能照常執(zhí)行篡改檢測的關(guān)鍵任務(wù)。
但是，這就需要一個(gè)低功耗運(yùn)行的設(shè)計(jì)架構(gòu)，使儀表電池能夠在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下維持較長的使用壽命。這對于只使用電池工作的流量計(jì)/煤氣表特別重要。這種情況下，SoC的電池使用壽命至少要達(dá)到十至十五年。
這樣，在設(shè)計(jì)SoC時(shí)應(yīng)該考慮某些問題，包括在停止模式下耗電的功能模塊、核心功能從停止模式啟動所需的時(shí)間以及停止模式恢復(fù)的電流消耗。同時(shí)，停止模式下的電流消耗量也至關(guān)重要，因?yàn)殛P(guān)系到SoC的停止模式耗電量。當(dāng)前業(yè)界典型的停止模式電流大約為0.5uA，典型的正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流大約為4.3mA。
發(fā)展前景
前文探討了一個(gè)典型的低端基本公用儀表架構(gòu)。但是，上述所有功能與模塊并不是計(jì)量SoC的最終發(fā)展目標(biāo)，它們只是關(guān)于計(jì)量應(yīng)用未來發(fā)展的一些啟示。
越來越多的USB和以太網(wǎng)等外設(shè)將集成到下一代計(jì)量SoC(即智能儀表)中。當(dāng)前，公用儀表不僅執(zhí)行計(jì)量、保護(hù)等功能，而且還執(zhí)行其它多種任務(wù)：例如，它能通過一個(gè)智能觸摸屏與消費(fèi)者進(jìn)行交互，并顯示當(dāng)前的能耗。它還能監(jiān)控家庭/辦公室的每個(gè)設(shè)備，并提示每個(gè)設(shè)備的能耗。通過互聯(lián)網(wǎng)，消費(fèi)者可以遠(yuǎn)程操縱設(shè)備，例如，在辦公室打開家里的空調(diào)，這樣一到家里就能感受到清涼舒適的效果。
同時(shí)，AMR(自動抄表)正在經(jīng)歷一個(gè)長期的革命階段，可安裝預(yù)付費(fèi)儀表，使用IR/ZigBee收發(fā)器或通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS來抄表。智能電網(wǎng)也將在抄表、故障定位等方面給計(jì)量技術(shù)帶來革命性變化。這必將成為“智能計(jì)量”的開端。
（作者：Sunil Deep Maheshwari 飛思卡爾半導(dǎo)體）
