0 引言

    我國第一代智能電表，目前已掛裝并運行5年多,，為我國智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了重要支撐,。然而我國標(biāo)準(zhǔn)體系對電能表的軟件和硬件要求比較固化，電能表均為一體化設(shè)計,，一旦出現(xiàn)硬件或軟件故障,，只能采取更換整表的方式來保障電力計量工作順利進(jìn)行。并且出于防止篡改電能表程序的安全角度考慮,，目前的電能表不允許軟件的在線升級,，因此對越來越多的智能應(yīng)用需求形成了限制。為此我國將在下一代智能電表標(biāo)準(zhǔn)上采用基于IR46(International Recommendation46)標(biāo)準(zhǔn)的雙芯智能電表方案,，核心解決的是計量功能與其他管理類功能的分離,，支持非計量部分軟件在線升級，且非計量部分的故障和升級不影響計量部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,。

1 雙芯電能表方案

    目前掛裝的智能電表方案應(yīng)用框圖如圖1所示,，可完成電能計量、數(shù)據(jù)的安全保護(hù),、本地RTC計時以及支持電表通信功能,，包括485通信、SPI,、I²C和紅外等功能^[1-2],。智能電表用到的功能芯片包括一顆主控芯片、一顆RTC芯片,、一顆安全芯片,、一顆EEPROM和一顆計量芯片，全部整體設(shè)計在一塊電表主板上,。

    基于IR46的雙芯智能電表標(biāo)準(zhǔn)方案,，將電表功能分成計量芯和功能芯兩個互不干擾的獨立部分。計量芯部分完成的功能包括計量,、電量數(shù)據(jù)存儲,、RTC計時等，計量芯獨立運行,，法制認(rèn)證,，不允許軟件升級,。管理芯部分包括智能電卡接口、ESAM,、顯示,、存儲器、負(fù)控管理和對外通信等功能,。由于計量芯部分和管理芯部分各自獨立自成系統(tǒng)，在新的電表方案中,，計量部分和管理部分都會各自需要一顆MCU主控芯片,，兩顆主控完成的功能和核心關(guān)鍵指標(biāo)也會不同，這是實現(xiàn)基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯電表方案的關(guān)鍵,。

2 計量芯主控功能和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 計量芯主控功能和架構(gòu)

    計量芯部分要完成的功能包括計時,、電能計量、電能和時間的存儲以及與管理芯的通信,。本文設(shè)計的計量芯主控功能上包含RTC功能模塊,，接口上包括串口、I²C,、GPIO等,，通過SPI通信口與管理芯進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互，功能框圖如圖2所示,。CPU采用ARM Cortex-M0 CPU,，內(nèi)置128 KB Flash存儲器、8KB RAM,，集成4通道DMA,；串口負(fù)責(zé)與485通信、SPI與管理芯進(jìn)行通信,；通過I²C操作EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,；另有多路TIMER、看門狗等功能,。

    IR46標(biāo)準(zhǔn)要求在運行模式下,，計量芯的電源不能被控制或干涉，計量芯RTC持續(xù)工作10年以上,，且計時精度要滿足國網(wǎng)電能表計時精度要求,。總結(jié)以上需求可知,，計量芯主控的高精度計時和低功耗工作是該主控的核心關(guān)鍵指標(biāo),。

2.2 計量芯主控的高精度計時技術(shù)

    計量主控RTC采用32 768 Hz石英晶體，晶體的振蕩頻率會隨溫度變化,，稱之為晶體的溫度特性,。32 768 Hz晶體的振蕩頻率與溫度呈類二次函數(shù)關(guān)系^[3],，低溫和高溫區(qū)晶體的頻率偏差很大，無法滿足國網(wǎng)對智能電表的計時精度要求,，必須加入溫度補償電路以提高計時精度,。

    本文設(shè)計RTC電路，除了包括了RTC的計時功能,，還包括關(guān)鍵的晶體溫度補償功能,，模塊包含RTC計時模塊、溫度傳感器,、專用的晶體溫度補償電路和一塊緩存Flash,，F(xiàn)lash用于存儲晶體的溫度調(diào)校系數(shù)，如圖3所示,。RTC計時電路定時觸發(fā)調(diào)校電路開始工作,，從溫度傳感器讀取當(dāng)前溫度值，然后根據(jù)溫度值從Flash中讀取對應(yīng)的調(diào)校系數(shù),，由調(diào)校電路對RTC的計時電路進(jìn)行調(diào)校補償,。

    用32 768 Hz晶體振蕩器設(shè)計實時時鐘，計數(shù)滿32 768個周期為1 s,，所以計數(shù)器的一個計數(shù)周期相對于秒周期的改變量為：

即如果簡單的對秒脈沖進(jìn)行數(shù)字補償,，能獲得的補償精度是30.5 ppm，對于小于30.5 ppm的頻率偏差,，無法得到補償而帶來偏差,，且隨著計時時間的加長，計時偏差會越來越大,。本文設(shè)計的主控芯片提出并采用了基于累積誤差控制的補償算法^[4],。補償算法如式(2)所示： 

式中，X_n為當(dāng)前時刻根據(jù)晶體溫度從Flash讀取得到的需要補償?shù)念l率誤差值(單位ppm),；Y_n-1為上次溫度補償后遺留剩余誤差值,；N為根據(jù)當(dāng)前X_n和Y_n-1計算出來的需要補償?shù)恼麜r鐘周期數(shù)；Y_n為本次數(shù)字補償后剩余的頻率偏差值,，用于下次補償時積累誤差用,。由于對補償值N進(jìn)行了四舍五入，所以剩余誤差值Y的值會小于15.3 ppm,，且由于本次補償?shù)氖Ｓ嗾`差會累積到下次需要補償?shù)恼`差值中,，所以計時誤差不會隨著計時時間的變長累積變大。該補償電路的功能框圖如圖4所示,，理論的精度效果圖如圖5所示,。

    該補償電路采用全數(shù)字方式實現(xiàn)，受集成電路工藝波動的影響小，且實現(xiàn)簡單,。該主控芯片的RTC經(jīng)賽西實驗室測試,，在-45 ℃~85 ℃溫度范圍內(nèi)，計時誤差在4 ppm以內(nèi),。

2.3 計量芯主控的低功耗設(shè)計技術(shù)  

    計量芯主控另一關(guān)鍵核心技術(shù)是低功耗設(shè)計,，以支撐計量芯10年不間斷工作。CMOS邏輯電路的功耗可以分為動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分,。動態(tài)功耗是指當(dāng)芯片處于激活（active）狀態(tài)時,，也即信號發(fā)生跳變時的功耗，靜態(tài)功耗是指芯片處于未激活狀態(tài)或者沒有信號跳變時的功耗^[5-6],。動態(tài)功耗70%源自開關(guān)電容電流功耗^[6],，開關(guān)電容的功耗定義如式（3）所示：

2.3.1 動態(tài)功耗優(yōu)化

    根據(jù)式(3)的理論，設(shè)計上降低動態(tài)功耗的方法主要是降低數(shù)字電路的翻轉(zhuǎn)率,，主要包括以下技術(shù)。

    (1)門控時鐘技術(shù)

    對每個功能模塊設(shè)計單獨的時鐘門控,，在不需要模塊工作時,，關(guān)閉模塊時鐘，減少時鐘電路的翻轉(zhuǎn)功耗,。同時,，在對芯片的RTL代碼進(jìn)行綜合時，插入時鐘門控單元,，這樣寄存器輸入端的時鐘在信號不翻轉(zhuǎn)時就不會翻轉(zhuǎn),，極大地降低了時鐘的動態(tài)功耗^[7]。

    (2)低功耗總線技術(shù)

    總線技術(shù)引入到SoC設(shè)計使得芯片設(shè)計進(jìn)入模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計階段,，方便了系統(tǒng)的集成,，也有利于系統(tǒng)的擴展。但另一方面,， AHB總線和APB總線信號伸展到了芯片的每一個功能模塊,，而從總線訪問的互斥性可以看到，總線的主設(shè)備同一時刻只會訪問一個從設(shè)備,，但是不被訪問的從設(shè)備的輸入總線信號還是會跟隨翻轉(zhuǎn),，所以總線的無效翻轉(zhuǎn)功耗很高。

    本設(shè)計首先對總線上的地址和寫數(shù)據(jù)總線進(jìn)行選擇門控,，只有送往被操作外設(shè)的地址和數(shù)據(jù)總線是有效翻轉(zhuǎn)的,，其余外設(shè)的地址和寫數(shù)據(jù)總線保持靜止。此外,，采用總線反相技術(shù),，總線矩陣處理模塊將總線上當(dāng)前數(shù)據(jù)總線值與上一個數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，選擇是發(fā)送原碼還是反碼，以及依據(jù)哪一種碼導(dǎo)致總線的翻轉(zhuǎn)更少,。設(shè)計時需要總線增加一位極性信號,，以讓接收模塊正確地恢復(fù)總線上的數(shù)據(jù)。通過這兩種方式,，極大地減小了總線的動態(tài)功耗,，將總線功耗占整芯片動態(tài)功耗的比例從32%降到了26%。

    (3)異步電路設(shè)計

    在同步電路中,，系統(tǒng)由全局時鐘控制,，在每個時鐘脈沖到來時，只要在翻轉(zhuǎn)時鐘控制下的所有寄存器都會消耗動態(tài)功耗,，無論該寄存器的數(shù)據(jù)是否變化,。

    而異步電路設(shè)計技術(shù)，整個設(shè)計不需要有統(tǒng)一的時鐘,，電路僅在需要翻轉(zhuǎn)的時候才會啟動工作,，沒有這種無效的功耗浪費，完成工作之后就恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài),，處于靜止?fàn)顟B(tài)的電路單元僅僅消耗漏電流,，不會有動態(tài)功耗^[7]。本文設(shè)計的主控在RTC模塊,、看門狗模塊中,，均采用了異步電路設(shè)計，確保芯片在電池供電下正常計時,，并保持最低功耗,。

    該芯片在TSMC 180 nm eFlash工藝上流片，芯片實測動態(tài)功耗數(shù)據(jù)為：芯片供電電壓為3.0 V,，配置LDO為1.7 V,，主時鐘選擇2 MHz時，在溫度-40℃~85℃范圍內(nèi),，芯片總功耗為表1所示,。

2.3.2 靜態(tài)功耗優(yōu)化

    根據(jù)電表的不同應(yīng)用場景合理設(shè)計芯片工作模式。電表在正常調(diào)試完成后的工作狀態(tài)分3種,。第一種為電表在庫房尚未掛裝現(xiàn)場,，此時只需要RTC精確計時，不需要計量,、通信等其他功能,，也不需要RAM數(shù)據(jù)的存儲保留，這種工作模式下,，可以通過局部掉電做到最低功耗,；第二種工作場景應(yīng)用于電表正常掛裝工作時,，電表保持全功能工作模式，此種模式下,，主控芯片的要求是盡量降低芯片的動態(tài)功耗,；第三種場景對應(yīng)于電表掛裝后市電掉電，而以電池供電的工作模式,，此時需要保留電表掉電時的現(xiàn)場狀態(tài),，RTC正常計時。對應(yīng)于主控的工作模式,，需要保持RTC正常工作和正常的晶體溫度補償,，同時RAM和CPU等都需要保持帶電以保留工作現(xiàn)場，來電喚醒和觸發(fā)喚醒電路保持工作,，其他電路都將時鐘關(guān)閉以降低功耗,。

    根據(jù)上述3種工作場景，該芯片設(shè)計了stop,、sleep和active模式,。active時主控正常工作；sleep模式下,，RTC和喚醒源保持工作,，其他模塊保持有電但靜止模式；stop下,，除RTC和喚醒源外,，其余模塊直接掉電,，以達(dá)到最低功耗,。3種模式可以互相轉(zhuǎn)換，如圖6所示,。

    芯片sleep模式下,，供電電壓3.0 V，LDO配置為1.8 V,，RTC使能,，所有其他的外設(shè)均不使能，在溫度-40 ℃~105 ℃范圍內(nèi),，芯片的總功耗測試數(shù)據(jù)如表2,。

3 管理芯主控功能和關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管理芯主控功能

    雙芯智能電表的管理芯主要負(fù)責(zé)費控管理、顯示,、事件記錄,、負(fù)荷控制等任務(wù)，同時提供一系列對外通信接口,。本文設(shè)計的管理芯部分主控芯片的功能框圖如圖7所示,。

    IR46與傳統(tǒng)智能電表的最大特點是管理芯要支持程序的遠(yuǎn)程或本地的在應(yīng)用升級。管理芯主控需要提供合理完善的解決方案，滿足電表穩(wěn)定,、可靠,、高效地進(jìn)行電表程序的本地和遠(yuǎn)程升級，這是管理芯區(qū)別于以前電表主控需要完成的一個關(guān)鍵功能,。

3.2 管理芯主控在應(yīng)用升級關(guān)鍵技術(shù)

    主控的遠(yuǎn)程或本地升級主要指的是對MCU芯片內(nèi)部的Flash存儲器的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除及重新下載,。MCU對Flash存儲器的編程一般可以分成3種方式^[8]：JTAG、ISP(In System Program)和IAP(In Application Program),。JTAG編程一般用于產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)階段的調(diào)試,；ISP強調(diào)芯片在應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場的升級，但不要求程序升級時芯片繼續(xù)保持工作狀態(tài),，可以終止應(yīng)用軟件的運行,，適用于便攜式設(shè)備的升級；IAP和ISP最重要的區(qū)別是IAP支持應(yīng)用程序正常運行的情況下,，對Flash存儲器中的部分程序進(jìn)行擦除和重寫操作,，為終端固件的遠(yuǎn)程自動升級帶來了很大的方便。雙芯電表方案的管理芯,，采用的是IAP方式,，支持程序的遠(yuǎn)程或本地的在應(yīng)用升級。

    為了保障電表程序在應(yīng)用升級的正確性,，管理芯主控設(shè)計在程序升級的不同階段,，都進(jìn)行指令和程序的正確性檢查。首先確認(rèn)升級軟件包的接收是否完整正確,，接收正確后,，將新程序?qū)懙紽lash，并對編寫結(jié)果進(jìn)行校驗確認(rèn),；校驗正確后,，將對新更新程序進(jìn)行自檢，如果自檢沒通過,，則需要有方式能將此部分程序恢復(fù)到升級前的一個版本,。硬件上需要有足夠的空間對被替換的老版本程序進(jìn)行備份并記錄；能支持PC指針的靈活跳轉(zhuǎn),；流程上要保證每一步都需要校驗確認(rèn)正確后再轉(zhuǎn)到下一步,。同時，軟件上要求管理芯的主控程序采用模組化設(shè)計方案,，即顯示模塊,、通信模塊、費控模塊,、事件模塊等模塊的獨立設(shè)計,，互不影響,，以保證電能表軟件支持對各模塊的獨立升級，這樣避免了軟件整體升級帶來的升級效率低,、硬件存儲和通信開銷大的缺點,。

    應(yīng)用升級控制流程圖如圖8所示。該芯片在UMC55工藝上流片成功,，用該芯片研發(fā)的樣表進(jìn)行在應(yīng)用升級的測試,，模擬升級過程中程序傳輸出錯、程序?qū)懗鲥e,，在升級的各個環(huán)節(jié)發(fā)生電表掉電,，芯片均能正確處理，報告出錯環(huán)節(jié),，并給出信號開始下次升級,，并最終升級成功。

4 總結(jié)

    本文研究了基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯智能電能表方案,，根據(jù)計量芯和管理芯各自完成的功能,，設(shè)計了計量芯部分主控芯片和管理芯主控芯片。針對計量芯的高精度計時需求,，提出了基于累積誤差控制的溫度補償電路,；針對低功耗需求，采用了降低動態(tài)和靜態(tài)功耗的一系列關(guān)鍵技術(shù),。管理芯主控部分,，重點研究了高可靠安全的在應(yīng)用升級相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)管理芯主控應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程升級,。本文研究內(nèi)容對未來IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯電表和電表主控芯片的開發(fā)具有很好的參考意義,。

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作者信息：

周芝梅1，2,，趙東艷1,，2,，張海峰1，2,，杜  君1,，2，王維彬1,，2

（1.北京智芯微電子科技有限公司,，國家電網(wǎng)公司重點實驗室電力芯片設(shè)計分析實驗室，北京100192,；

2.北京智芯微電子科技有限公司,，北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京100192）