全球智能計(jì)量市場(chǎng)正在不斷膨脹,。中國(guó)已著手開始升級(jí)城市電網(wǎng)中的智能電表，2010年已升級(jí)了1.7億臺(tái),，后面還將升級(jí)農(nóng)村和南方的電網(wǎng),。在國(guó)外，歐盟的一些國(guó)家（西班牙,、法國(guó)和英國(guó)）也相繼升級(jí)了數(shù)千萬(wàn)臺(tái)智能電表,。東歐、南美和非洲的一些發(fā)展中國(guó)家也都邁入了升級(jí)電表的進(jìn)程,。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　對(duì)于電表設(shè)計(jì)人員來(lái)說,，智能計(jì)量市場(chǎng)的擴(kuò)大在創(chuàng)造豐富商機(jī)的同時(shí)也帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。下面羅列了其中一些挑戰(zhàn)：

　　市場(chǎng)的區(qū)域差異,。地區(qū)間的需求各不相同,。例如，中國(guó)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(wú)線技術(shù),。在中國(guó)，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(lái)的移植能力。智能計(jì)量市場(chǎng)是個(gè)相對(duì)嶄新的市場(chǎng),，仍在不斷改進(jìn),。如何確保智能電表設(shè)計(jì)的靈活性,，使其能滿足未來(lái)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(jià)從發(fā)展中國(guó)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(jì)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(jì)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?yàn)椴捎玫馁Y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(lái)解決這一問題：

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

　　前者支持設(shè)計(jì)重用，能加快產(chǎn)品上市,，但其成本架構(gòu)在低端市場(chǎng)沒有什么競(jìng)爭(zhēng)力,。后者的產(chǎn)品成本較低，不過設(shè)計(jì)人員必須學(xué)習(xí)和購(gòu)買不同的工具,，維護(hù)多個(gè)代碼庫(kù),，長(zhǎng)期來(lái)看代價(jià)也十分高昂。

　　要應(yīng)對(duì)不斷進(jìn)步的全球智能計(jì)量市場(chǎng)中低成本和快速上市這對(duì)互相矛盾的要求,，可采用平臺(tái)解決方案,。一款好的平臺(tái)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(chǎng)領(lǐng)域,，并同時(shí)滿足低成本和上市快這兩種要求。從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)說,，平臺(tái)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(kù)的一系列器件。一個(gè)好的平臺(tái)應(yīng)該具有豐富的器件，從而能滿足不同的市場(chǎng)需求,。

　　Microchip的平臺(tái)解決方案

　　包含Microchip的PIC單片機(jī)（MCU）和dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）系列在內(nèi)的平臺(tái)就是一款這樣的平臺(tái),，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(chǔ)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(gè)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(tái)解決方案,。

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

　　具有成本競(jìng)爭(zhēng)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(cè)量有功/無(wú)功能量、正向/反向能量,、有功/無(wú)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(shí)現(xiàn)這些功能的全部或一部分,，適用于任何特定市場(chǎng)領(lǐng)域,。要計(jì)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(shí)（Time-Of-Use,，TOU）功能：這需要額外的存儲(chǔ)器,、精確可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）以及存儲(chǔ)用外部EEPROM的接口。

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

　　因此，智能計(jì)量應(yīng)用對(duì)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(chǔ)器,、2KB RAM和簡(jiǎn)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(gè)硬件UART和1個(gè)具有日歷功能的硬件RTC,。

　　PIC18 MCU系列可滿足這些設(shè)計(jì)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(jí)深堆棧,、8x8硬件乘法器以及多個(gè)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(chǔ)空間,。PIC18F87J90 MCU系列可用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的入門級(jí)智能計(jì)量解決方案，其具備的資源如下：

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

　　串行接口：一個(gè)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(gè)增強(qiáng)型通用同步異步收發(fā)器（EUSART）提供了IR自動(dòng)波特率檢測(cè)功能,。一個(gè)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(lái)支持。

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

　　RTC精度會(huì)受到外部時(shí)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(shí)間,。但是，這可能使RTC程序復(fù)雜化,，因?yàn)樾枰笮陀?jì)數(shù)器在正確的時(shí)間應(yīng)用這些調(diào)整,。PIC MCU片上提供的RTCC模塊具有一個(gè)軟件可重寫寄存器“RCFGCAL”，該寄存器可以每分鐘自動(dòng)修改一次計(jì)數(shù)器值以補(bǔ)償晶振誤差，不會(huì)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生軟件開銷,。該一點(diǎn)式校正對(duì)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(shí)鐘晶振廠商謹(jǐn)慎采購(gòu)部件，以將部件之間的差異降至最低,。如要對(duì)部件間的差異進(jìn)行質(zhì)量控制,，可應(yīng)用兩點(diǎn)式校正。

　　要測(cè)量RTCC校正的溫度,，設(shè)計(jì)人員可將一個(gè)常規(guī)結(jié)二極管連接到一個(gè)ADC引腳（見圖2）,。根據(jù)充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）中的恒流源，可通過ADC以測(cè)量二極管上正向電壓的方式來(lái)計(jì)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(shí)間測(cè)量單元（CTMU）溫度測(cè)量電路。

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

　　LCD：PIC18F87J90 MCU內(nèi)置的LCD驅(qū)動(dòng)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(shí)可通過IR中斷或按下按鈕來(lái)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(dòng)恢復(fù)的功能,，以避免系統(tǒng)閉鎖,。

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

　　圖3展示了采用PIC18F87J90系列設(shè)計(jì)的具有成本競(jìng)爭(zhēng)力智能電表的解決方案。

　　圖3：PIC18F87J90智能電表框圖,。

　　在中國(guó),，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(duì)于不帶PLC的城市電網(wǎng)T型電表,，設(shè)計(jì)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(wú)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(duì)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(jì)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(jì)人員更愿意使用單芯片解決方案，因?yàn)檫@樣可以使電路板空間更小并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,。PIC18F87J72系列帶有16位ADC彌補(bǔ)了PIC18F87J90系列的不足,，同時(shí)保持相同的存儲(chǔ)空間和外設(shè)。

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

　　設(shè)計(jì)人員可以輕松地將其設(shè)計(jì)從智能電表擴(kuò)展到基本電表,，以獲得額外的市場(chǎng)份額,。這些基本電表需要較小的存儲(chǔ)器、較少的通信接口和精度較低的RTC,，因而價(jià)格較低,。對(duì)于巴西和阿根廷的基本LCD電表市場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員可以使用PIC18F85J90系列,，該系列的閃存/RAM較小且具有簡(jiǎn)單的基于Timer 1的RTC,。對(duì)于中國(guó)農(nóng)村電表市場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員可選擇價(jià)格更低的帶LCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)器成本，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇與PIC18F LCD系列具有同等功能但無(wú)LCD的器件型號(hào),，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(jì)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(jì)算有功能量。以單相智能電表設(shè)計(jì)為起點(diǎn),，設(shè)計(jì)人員可添加一個(gè)單相AFE實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電表,，添加兩個(gè)單相AFE實(shí)現(xiàn)3相電表,。Microchip的MCP3901 AFE內(nèi)置延遲模塊，可輕松實(shí)現(xiàn)相移補(bǔ)償,。

　　設(shè)計(jì)人員可以輕松支持上述設(shè)計(jì),，并利用平臺(tái)的以下好處在設(shè)計(jì)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(jì)在這些系列之間互相移植,。這些MCU所對(duì)應(yīng)的無(wú)LCD系列器件的引腳也是兼容的,，可根據(jù)存儲(chǔ)容量和性能要求進(jìn)行移植。固件可以重用于有LCD和無(wú)LCD電表實(shí)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(chǔ)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(jià)位,。作為Microchip 16位架構(gòu)的入門級(jí)系列，PIC24F MCU非常適合于移植自8位設(shè)計(jì),，且提高了性能和存儲(chǔ)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(cè)量全部三個(gè)相上的電流和電壓,，計(jì)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(jí)16位架構(gòu)PIC24F256GA110系列可帶來(lái)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(gè)硬件UART端口，更便于通信,；16KB RAM的額外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通信緩沖區(qū),；從128 KB移植到256 KB閃存時(shí)，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(wú)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(shí)對(duì)多個(gè)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(shí)）。

　　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(duì)于35級(jí)以上的諧波分析,，dsPIC DSC系列通過其集成的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）提供計(jì)算能力。

　　在西歐,，支持設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范（Device Language Message Specification,，DLMS）的高級(jí)量測(cè)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(chǔ)器的并行主端口以及用于附加通信的額外串行端口,，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì),。此外，PIC32 MCU還非常適合于電動(dòng)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(duì)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(tái)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(lái)支持該功能,。例如，設(shè)計(jì)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(jì)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(yǔ)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(duì)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(jiǎn)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(duì)所有PIC MCU和DSC對(duì)C語(yǔ)言編程進(jìn)行了高度優(yōu)化。

　　未來(lái)需求和可能的解決方案

　　智能計(jì)量方案在各個(gè)方面持續(xù)發(fā)展,。未來(lái)的需求和解決方案將根據(jù)各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的需求而變化,。例如：

　　預(yù)計(jì)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(gè)以上的硬件UART），還可能集成帶有時(shí)鐘晶振的硬件RTCC的100引腳MCU,。

　　此外,，預(yù)計(jì)更高性能的智能電表將需要更高級(jí)別的安全性和更大的存儲(chǔ)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(chǔ)器移植的16位/32位MCU。

　　更高的全球化程度允許設(shè)計(jì)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(jì),。一個(gè)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(tái)”。這需要將多個(gè)架構(gòu)混合,，以適應(yīng)不同的成本/性能結(jié)構(gòu),。盡管C語(yǔ)言可以跨不同架構(gòu)進(jìn)行編譯，但外設(shè)兼容性對(duì)于實(shí)際平臺(tái)解決方案而言極其重要,?？梢岳猛庠O(shè)庫(kù)實(shí)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(jì)量解決方案不盡相同,，并且隨時(shí)間推移而不斷變化,。設(shè)計(jì)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(tái)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(jì)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(xiàng)目中重用,。這就避免了因設(shè)計(jì)在不同市場(chǎng)和項(xiàng)目中的應(yīng)用,，而多次購(gòu)買軟件庫(kù)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(jì)量解決方案市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展,，平臺(tái)方法將不斷提供成熟有效的方案,，以跟上變化的步伐,。