全球智能计量市场正在不断膨胀。中国已着手开始升级城市电网中的智能电表，2010年已升级了1.7亿台，后面还将升级农村和南方的电网。在国外，欧盟的一些国家（西班牙、法国和英国）也相继升级了数千万台智能电表。东欧、南美和非洲的一些发展中国家也都迈入了升级电表的进程。
设计挑战
对于电表设计人员来说，智能计量市场的扩大在创造丰富商机的同时也带来了诸多挑战。下面罗列了其中一些挑战：
市场的区域差异。地区间的需求各不相同。例如，中国的预付费电表使用智能卡，而非洲采用的是键盘和代码。类似的，欧洲的智能电表采用电线通信（PLC）技术，而南美的智能电表采用无线技术。在中国，农村电网相比城市电网所需的功能较少，并且各省的投标要求也不尽相同。
未来的移植能力。智能计量市场是个相对崭新的市场，仍在不断改进。如何确保智能电表设计的灵活性，使其能满足未来的需要呢？
低成本。由于要部署的电表数量非常庞大，因此成本是最需关注的因素之一。智能电表的售价从发展中国家的小于10美金到北美和西欧AMI电表的100美金不等。
加快上市。总是有地方在进行智能电表投标。但是公司的设计资源有限，在不同产品采用不同软件的情况下，快速修改一款设计使之适应新的要求是非常困难的。
现有解决方案和限制
许多现有的解决方案都是以产品为中心的，能够很好地支持特定的智能电表产品。因为采用的资源数合适，因而优化了成本。然而，智能电表涉及到很多不同的技术层面，具有不同的成本和性能要求。因此，以产品为中心的方法必须通过以下两种途径中的一种来解决这一问题：
重用高端产品来服务于低端市场；使用不同供应商提供的解决方案为不同的市场领域开发不同的产品。
前者支持设计重用，能加快产品上市，但其成本架构在低端市场没有什么竞争力。后者的产品成本较低，不过设计人员必须学习和购买不同的工具，维护多个代码库，长期来看代价也十分高昂。
要应对不断进步的全球智能计量市场中低成本和快速上市这对互相矛盾的要求，可采用平台解决方案。一款好的平台依靠一条工具链、可重用的软件和丰富的产品，能支持各种市场领域，并同时满足低成本和上市快这两种要求。从设计人员的角度来说，平台解决方案可被认为是共用开发环境，具有可重用软件库的一系列器件。一个好的平台应该具有丰富的器件，从而能满足不同的市场需求。
Microchip的平台解决方案
包含Microchip的PIC单片机（MCU）和dsPIC数字信号控制器（DSC）系列在内的平台就是一款这样的平台，具有8位、16位和32位三种架构，并且采用统一的集成开发环境（IDE）——MPLAB IDE。具有约700款MCU产品，以及分立式模拟前端（AFE）和存储器产品，Microchip能够根据不同电表的特定需求提供高成本效益的完整解决方案，并且该解决方案可在整个PIC MCU和dsPIC DSC架构间轻松移植。图1给出了基于统一MPLAB IDE的Microchip平台解决方案。
图1：Microchip的PIC MCU和dsPIC数字信号控制器（DSC）平台。
具有成本竞争力的智能电表
智能电表必须部分或全部支持以下主要功能：
测量有功/无功能量、正向/反向能量、有功/无功/视在功率和RMS电流/电压：通用MCU的特性使其相当灵活，可实现这些功能的全部或一部分，适用于任何特定市场领域。要计算能量、功率、电流和电压，CPU需要具备一定的处理能力。
多费制或分时（Time-Of-Use，TOU）功能：这需要额外的存储器、精确可靠的实时时钟（RTC）以及存储用外部EEPROM的接口。
RS485、光纤、IR、PLC和/或无线通信：这需要硬件UART以实现易用性，以及额外的RAM用作通信缓冲区。
因此，智能计量应用对MCU的要求超出了用于普通电表的典型MCU产品，例如普通电表用MCU仅需32KB闪存存储器、2KB RAM和简单能量脉冲输出。要在不增加成本的情况下支持智能电表，智能电表MCU的最低要求应包括SPI接口、64KB闪存、4KB RAM、2个硬件UART和1个具有日历功能的硬件RTC。
PIC18 MCU系列可满足这些设计要求，该系列采用16位程序字架构，并集成先进的RISC架构、32级深堆栈、8x8硬件乘法器以及多个内部和外部中断。PIC18系列在Microchip的8位产品中性能最佳，以低于16位/32位MCU架构的成本提供高达16MIPS的运算速度和丰富的线性存储空间。PIC18F87J90 MCU系列可用于实现经济高效的入门级智能计量解决方案，其具备的资源如下：
存储器：PIC18闪存单片机器件中有两种类型的存储器，分别为程序存储器和数据RAM。PIC MCU基于哈佛架构，对数据存储器和程序存储器分别使用独立总线，从而允许同时访问这两个存储空间。凭借64KB程序存储器和4KB数据RAM，PIC18F86J90 MCU成为智能计量解决方案的绝佳选择；而PIC18F87J90 MCU更可让您安枕无忧，其具备的128KB闪存存储器可满足未来移植的需要。该系列器件的闪存存储器通常能耐写10，000次擦/写，且数据保存时间至少20年。同时还具有字写入功能，可用于数据EEPROM仿真。
1 2 3串行接口：一个可工作在串行外设接口（SPI）模式下的主同步串行端口（MSSP）用于从AFE获取完整的寄存器值。一个增强型通用同步异步收发器（EUSART）提供了IR自动波特率检测功能。一个可寻址通用同步异步收发器（AUSART）可由RS485和电力线通信（PLC）共享。其他UART需求可通过软件仿真来支持。
RTC：硬件实时时钟和日历（Real Time Clock and Calendar，RTCC）提供时钟、日历和闹钟功能。该模块为百年时钟和日历，具有闰年自动检测功能。该时钟提供一秒的时间粒度，用户可看到半秒的时间间隔。
RTC精度会受到外部时钟晶振的影响，尤其是外部晶振的温度漂移。使用由晶振误差与温度的关系曲线生成的查找表，可在软件中调整时间。但是，这可能使RTC程序复杂化，因为需要大型计数器在正确的时间应用这些调整。PIC MCU片上提供的RTCC模块具有一个软件可重写寄存器“RCFGCAL”，该寄存器可以每分钟自动修改一次计数器值以补偿晶振误差，不会在运行时产生软件开销。该一点式校正对于+/-5 ppm的室温误差以及晶振温度范围内+/-10 ppm的误差通常很有效，但前提是从声誉良好的时钟晶振厂商谨慎采购部件，以将部件之间的差异降至最低。如要对部件间的差异进行质量控制，可应用两点式校正。
要测量RTCC校正的温度，设计人员可将一个常规结二极管连接到一个ADC引脚（见图2）。根据充电时间测量单元（CTMU）中的恒流源，可通过ADC以测量二极管上正向电压的方式来计算温度。外部二极管的成本远远低于任何热敏电阻或其他温度传感器。
图2：充电时间测量单元（CTMU）温度测量电路。
如果需要为时钟晶振提供更可靠的电流驱动，设计人员可以选择不同于众多RTC模块选项的高功率T1OSC/SOSC电路选项。
LCD：PIC18F87J90 MCU内置的LCD驱动器在4复用模式下最高支持192像素。LCD在休眠模式下仍在工作。抄表员在断电时可通过IR中断或按下按钮来唤醒LCD。
EMC/ESD：智能电表必须能够承受恶劣的室外环境并抵御试图篡改的行为。为此，PIC18 MCU提供了从上电复位（POR）、掉电复位（BOR）和WDT复位等状态自动恢复的功能，以避免系统闭锁。
能量计算：Microchip提供了免费的PIC18F能量计算固件，可用于计算有功/无功能量、正向/反向能量、有功/无功/视在功率和RMS电流/电压。源代码向设计人员开放，供其定制。
图3展示了采用PIC18F87J90系列设计的具有成本竞争力智能电表的解决方案。
图3：PIC18F87J90智能电表框图。
在中国，城市电网中的智能电表需要额外的通用I/O（GPIO）以满足各种通信需求。对于不带PLC的城市电网T型电表，设计人员可以使用集成了LCD、硬件RTCC和带复用功能的GPIO引脚的PIC18F87K90 MCU系列。这些MCU的内部振荡器精度在+/-3%之内，因而无需使用外部高频晶振。K90系列可适应1.8V～5.5V范围的电源电压，集成EEPROM并提供高达16 MIPS的性能。这些MCU还采用超低功耗技术，在深度休眠模式下的电流消耗仅为60nA，因而需要的电池更小。对于带预付费和PLC通信功能的城市电网K型电表（需要更多的GPIO），设计人员可以使用具有外部LCD和外部RTC的PIC18F67J11 MCU。
土耳其的智能电表设计人员更愿意使用单芯片解决方案，因为这样可以使电路板空间更小并且设计简单。PIC18F87J72系列带有16位ADC弥补了PIC18F87J90系列的不足，同时保持相同的存储空间和外设。
在南美、南非、东欧和中东的智能电表市场中，设计人员希望使用带12位ADC的外部运放来降低成本。PIC18F87J93系列为设计人员提供了集成的12位SAR ADC，同时保持与PIC18F87J90 MCU相同的外设和功能集。
设计人员可以轻松地将其设计从智能电表扩展到基本电表，以获得额外的市场份额。这些基本电表需要较小的存储器、较少的通信接口和精度较低的RTC，因而价格较低。对于巴西和阿根廷的基本LCD电表市场，设计人员可以使用PIC18F85J90系列，该系列的闪存/RAM较小且具有简单的基于Timer 1的RTC。对于中国农村电表市场，设计人员可选择价格更低的带LCD驱动器和14 KB闪存的PIC16F1937 MCU。PIC16F19XX系列采用Microchip的8位架构增强型中档内核。
为了防止被篡改，南非和巴西的预付费电表放置在电线杆顶部。LCD显示功能则从电表移至室内显示单元。为避免不必要的LCD驱动器成本，设计人员应选择与PIC18F LCD系列具有同等功能但无LCD的器件型号，这些系列提供28到80引脚封装以及16到128 KB闪存，可满足各种需求。
设计人员可选择从单相智能电表移植到网络（2相）和3相商用电表，这三种电表都使用相同的PIC18F87J90、K90或J72系列计算有功能量。以单相智能电表设计为起点，设计人员可添加一个单相AFE实现网络电表，添加两个单相AFE实现3相电表。Microchip的MCP3901 AFE内置延迟模块，可轻松实现相移补偿。
设计人员可以轻松支持上述设计，并利用平台的以下好处在设计间移植：
PIC18F87J90、PIC18F87K90、PIC18F87J93和PIC18F85J90系列均集成LCD，其引脚相互兼容，支持设计在这些系列之间互相移植。这些MCU所对应的无LCD系列器件的引脚也是兼容的，可根据存储容量和性能要求进行移植。固件可以重用于有LCD和无LCD电表实现方案中的所有PIC18F MCU。
1 2 3高性能智能电表
高性能智能电表需要更强大的CPU处理能力、更多通信接口和更大的存储器，但由于要进行大规模电表部署，电表应处于合理价位。作为Microchip 16位架构的入门级系列，PIC24F MCU非常适合于移植自8位设计，且提高了性能和存储器的成本敏感型应用。
与单相智能电表相比，3相商用和工业电表必须支持以下附加功能：测量全部三个相上的电流和电压，计算用于监视设备效率的功率因数，GSM/GPRS和额外的RS-485通信，精度更高（例如IEC 0.2类电表）。
入门级16位架构PIC24F256GA110系列可带来经济高效的性能提升，并提供以下增强功能：
采用16位架构，数据处理更高效；CPU更快，速度达32 MHz/16 MIPS，且大多数指令均为单周期指令；四个硬件UART端口，更便于通信；16KB RAM的额外数据存储器和通信缓冲区；从128 KB移植到256 KB闪存时，引脚间互相兼容；通过硬件I2C接口可轻松连接外部EEPROM和LCD；通过额外的SPI接口可轻松连接无线收发器；优化的电路板布局，具有外设引脚选择（Peripheral Pin Select，PPS）功能，允许在运行时对多个外设分别进行I/O映射；可灵活选择64、80或100引脚封装；休眠模式下的基本掉电电流典型值为4 μA（3.3V时）。
如需要更高性能，可将应用轻松移植至PIC24H系列，使性能达到40MIPS。通过集成的DMA外设支持更高效的数据传输。对于35级以上的谐波分析，dsPIC DSC系列通过其集成的数字信号处理器（DSP）提供计算能力。
在西欧，支持设备语言报文规范（Device Language Message Specification，DLMS）的高级量测架构（Advanced Metering Infrastructure，AMI）电表需要256KB以上的闪存和16KB以上的RAM。PIC32系列可解决此问题，其闪存最大为512KB，RAM最大为128KB。PIC32MX6系列还集成了USB、以太网、用于外部存储器的并行主端口以及用于附加通信的额外串行端口，可实现数据集中器设计。此外，PIC32 MCU还非常适合于电动车充电站应用的开发。PIC32系列基于功能强大的MIPS32 M4K内核。
对于基于互联网的家庭能源监视，智能电表必须将功耗数据发送到安全服务器。PIC MCU平台可通过其16位和32位架构以及免费的TCP/IP协议栈来支持该功能。例如，设计人员可以使用PIC24F/PIC24H/dsPIC或PIC32 MCU以及集成了Google PowerMeter API的免费TCP/IP协议栈制造兼容Google PowerMeter的智能电表。
16位PIC24F/PIC24H/dsPIC和32位PIC32 MCU之间可共享外设。因此，设计人员可以轻松地从一种单片机方案移植到另一种，并在统一的MPLAB IDE下重用C语言代码，从而确保各种高性能电表快速上市。
集成开发环境
MPLAB IDE是一款免费的集成工具套件，用于对采用Microchip的PIC MCU和dsPIC DSC单片机的嵌入式应用进行开发。该IDE以32位应用程序的形式运行于Microsoft的Windows操作系统，使用简便并且包含众多免费软件组件，可快速开发应用，并且具有超强的调试功能。MPLAB C编译器针对所有PIC MCU和DSC对C语言编程进行了高度优化。
未来需求和可能的解决方案
智能计量方案在各个方面持续发展。未来的需求和解决方案将根据各个市场领域的需求而变化。例如：
预计低端智能电表将需要通过提高集成度进一步降低系统成本。可采用集成了LCD、额外串行端口（如4个以上的硬件UART），还可能集成带有时钟晶振的硬件RTCC的100引脚MCU。
此外，预计更高性能的智能电表将需要更高级别的安全性和更大的存储器。可能的解决方案包括带有LCD、AES-128外设和DMA外设并支持向1MB以上闪存程序存储器移植的16位/32位MCU。
更高的全球化程度允许设计人员参与世界各地的投标，这需要更灵活的“全球电表”设计。一个可能的解决方案是便于修改且可在不同地区重用的“全球平台”。这需要将多个架构混合，以适应不同的成本/性能结构。尽管C语言可以跨不同架构进行编译，但外设兼容性对于实际平台解决方案而言极其重要。可以利用外设库实现平滑的跨架构移植和代码重用。
本文小结
不同地理区域的智能计量解决方案不尽相同，并且随时间推移而不断变化。设计人员需要以尽可能最低的成本提供最佳且上市最快的解决方案。Microchip平台提供了跨8位/16位/32位架构的完整解决方案，并且所有解决方案均在统一的IDE下开发，从而使该设想成为可能。设计人员只需维护最少量的软件代码即可保证代码能在不同的项目中重用。这就避免了因设计在不同市场和项目中的应用，而多次购买软件库和开发工具许可证的需要，从而节省了公司的整体投资。随着智能计量解决方案市场的持续发展，平台方法将不断提供成熟有效的方案，以跟上变化的步伐。
作者：崔勇
高级单片机架构部/产品营销经理
Microchip Technology公司
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