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突破嵌入式领域的智能计量技术

刘洋?? EDN China技术编辑?? 2010年11月12日 ?? 收藏0

  智能计量的主要驱动力在于人类对未来能源和环境状况的担忧,对能源使用更智能的管理可减少浪费,缓解人类活动对环境的压力。智能计量的主要功能除了对能源消耗的测量、控制和对系统的故障的诊断外,还强调了不同系统间的互联互通,使嵌入式产品如MCU等,与无线技术紧密结合,是突破嵌入式技术的新兴快速增长领域。

  MCU如何实现智能电网的智能性

  飞思卡尔半导体(Freescale)是智能电表MCU产品的代表厂商之一,其于2010年初面向中国国家电网对智能电表的标准推出了MZ60系列MCU。随后为满足市场需求,飞思卡尔继续扩大其新一代智能MCU阵容,推出定位全球计量市场的高度集成的单芯片方案,包括适用于单相电表和流量表应用的低功耗、经济高效的8位MC9S08GW6微控器,和面向计量应用的超低功耗LCD MCU—MC9S08LH64/36,同时大举提高针对智能计量表市场的MCF51EM 32位ColdFire V1系列产量,为迅速开发出符合不同要求的智能电表产品提供强大的专业技术支持。

  智能计量继续表现出强劲的增长态势。智能电网的普及为相关产业带来巨大的发展机遇,智能电表受到产业拉动;

但伴随着对电表功能和性能需求的提高,成本压力也逐渐增大。飞思卡尔认为,智能电表对MCU的技术挑战主要有以下几点:系统成本、系统功耗、掉电和电表失效时的数据保存、防盗电、日趋复杂的电表设计对各种接口和通信模块的需求、更加严格的EMC/EMI需求、与传感器的接口、安全的现场升级能力等。另外从市场需求层面看,智能电表方案面临的最大挑战是成本,同时成本也是整个智能电网概念的最核心驱动力,其牵动了从电厂、传输,到最终端家庭用户的所有环节,因此也牵动了为这些环节提供方案的半导体厂商。

  飞思卡尔工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛表示,智能电网需要以下几个核心模块来实现智能化:计量网关(Metering Gateway)、AMI(自动计量基础设施)、AMM(自动计量管理模块)和AMR(自动读表)。其中计量网关为用户提供宽带网络支持;AMI是智能电网的主干,可实现双向电网和资源的优化;AMM主要负责数据管理和计费,保证功耗等信息的质量;AMR则为关键环节提供支持,提供远程读表功能,可配置为内部或外部模块(图1)。

图1

图1,飞思卡尔的智能电网构想,其可为AMI、AMM、AMR提供产品和技术。

  德州仪器(TI)近期也将目光瞄准成长中的MCU市场。收购Luminary后,TI构建起完整的MCU产品阵营。TI认为,随着汽车与工业电子等主力市场的逐渐回暖,消费电子、智能家居、移动计算、智能电表以及医疗电子等新兴应用市场迅猛发展,其在MCU领域基本形成了超低功耗MSP430(MCU)、基于Cortex-M3的Stellaris 系列处理器及高性能 C2000实时控制器等几大平台,以低功耗、高通用性及高性能等不同特性,提供能满足各种应用领域的MCU产品。

  TI的16位MP430系列是TI广泛用于智能电表的代表性MCU产品;其中MSP430FE42X系列将计量模块直接嵌入在MSP430内部,组成集成计量芯片的单向电表MCU方案,使电表的设计难度和成本都得到降低。当然,MSP430FE42x并不是电能计量模块与MSP430的简单结合,它还提供了对内部模块的控制。如果用在单相电表的设计,设计者可以直接启动内部电能计量模块ESP430;而对于其它需要16位A/D的产品时,则可以禁止ESP430模块,直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制,是其在产品设计中有很大的灵活性。

  MSP430FE42x具有三个通道独立的16位Sigma-Delta架构ADC,并非如通常单片机那样采用模拟开关切换分别进行转换的方法。此外,MSP430FE42x还内置16位计时器,LCD驱动、14个I/O接脚、放盗电功能等。

  DSP方案强调信号处理能力

  除用于控制的MCU以外,具有强大信号处理能力的DSP也是智能电网的热门产品,其中较有代表性的产品为ADI公司的Blackfin产品线。低成本Blackfin处理器具备处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力,可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。由于供电公司智能电表的部署范围不仅仅覆盖本地电网,因此基于Blackfin的电表部件还能够通过软件轻松升级,以符合本地或国家特有的不同通信标准。

  ADI认为,智能仪表技术的真正受惠者是环境。在实现实时智能抄表的技术以合理的价位出现之前,现有的信息是不充足的,无法发现或者纠正能量浪费行为。借助Blackfin的实时能量采集和通信能力,电力公司现在拥有了节约使用能量所需的信息,直接减少了环境中的碳排放。在本地和全国范围的供电系统内增加使用智能电表是实


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MCU? DSP? 智能电网? 国网标准?

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