全球智能計量市場正在不斷膨脹。中國已著手開始升級城市電網中的智能電表，2010年已升級了1.7億臺，后面還將升級農村和南方的電網。在國外，歐盟的一些國家（西班牙、法國和英國）也相繼升級了數千萬臺智能電表。東歐、南美和非洲的一些發展中國家也都邁入了升級電表的進程。

　　設計挑戰

　　對于電表設計人員來說，智能計量市場的擴大在創造豐富商機的同時也帶來了諸多挑戰。下面羅列了其中一些挑戰：

　　市場的區域差異。地區間的需求各不相同。例如，中國的預付費電表使用智能卡，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，而南美的智能電表采用無線技術。在中國，農村電網相比城市電網所需的功能較少，并且各省的投標要求也不盡相同。

　　未來的移植能力。智能計量市場是個相對嶄新的市場，仍在不斷改進。如何確保智能電表設計的靈活性，使其能滿足未來的需要呢？

　　低成本。由于要部署的電表數量非常龐大，因此成本是最需關注的因素之一。智能電表的售價從發展中國家的小于10美金到北美和西歐AMI電表的100美金不等。

　　加快上市。總是有地方在進行智能電表投標。但是公司的設計資源有限，在不同產品采用不同軟件的情況下，快速修改一款設計使之適應新的要求是非常困難的。

　　現有解決方案和限制

　　許多現有的解決方案都是以產品為中心的，能夠很好地支持特定的智能電表產品。因為采用的資源數合適，因而優化了成本。然而，智能電表涉及到很多不同的技術層面，具有不同的成本和性能要求。因此，以產品為中心的方法必須通過以下兩種途徑中的一種來解決這一問題：

　　重用高端產品來服務于低端市場；使用不同供應商提供的解決方案為不同的市場領域開發不同的產品。

　　前者支持設計重用，能加快產品上市，但其成本架構在低端市場沒有什么競爭力。后者的產品成本較低，不過設計人員必須學習和購買不同的工具，維護多個代碼庫，長期來看代價也十分高昂。

　　要應對不斷進步的全球智能計量市場中低成本和快速上市這對互相矛盾的要求，可采用平臺解決方案。一款好的平臺依靠一條工具鏈、可重用的軟件和豐富的產品，能支持各種市場領域，并同時滿足低成本和上市快這兩種要求。從設計人員的角度來說，平臺解決方案可被認為是共用開發環境，具有可重用軟件庫的一系列器件。一個好的平臺應該具有豐富的器件，從而能滿足不同的市場需求。

　　Microchip的平臺解決方案

　　包含Microchip的PIC單片機（MCU）和dsPIC數字信號控制器（DSC）系列在內的平臺就是一款這樣的平臺，具有8位、16位和32位三種架構，并且采用統一的集成開發環境（IDE）——MPLAB IDE。具有約700款MCU產品，以及分立式模擬前端（AFE）和存儲器產品，Microchip能夠根據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PIC MCU和dsPIC DSC架構間輕松移植。圖1給出了基于統一MPLAB IDE的Microchip平臺解決方案。

　　圖1：Microchip的PIC MCU和dsPIC數字信號控制器（DSC）平臺。

　　具有成本競爭力的智能電表

　　智能電表必須部分或全部支持以下主要功能：

　　測量有功/無功能量、正向/反向能量、有功/無功/視在功率和RMS電流/電壓：通用MCU的特性使其相當靈活，可實現這些功能的全部或一部分，適用于任何特定市場領域。要計算能量、功率、電流和電壓，CPU需要具備一定的處理能力。

　　多費制或分時（Time-Of-Use，TOU）功能：這需要額外的存儲器、精確可靠的實時時鐘（RTC）以及存儲用外部EEPROM的接口。

　　RS485、光纖、IR、PLC和/或無線通信：這需要硬件UART以實現易用性，以及額外的RAM用作通信緩沖區。

　　因此，智能計量應用對MCU的要求超出了用于普通電表的典型MCU產品，例如普通電表用MCU僅需32KB閃存存儲器、2KB RAM和簡單能量脈沖輸出。要在不增加成本的情況下支持智能電表，智能電表MCU的最低要求應包括SPI接口、64KB閃存、4KB RAM、2個硬件UART和1個具有日歷功能的硬件RTC。

　　PIC18 MCU系列可滿足這些設計要求，該系列采用16位程序字架構，并集成先進的RISC架構、32級深堆棧、8x8硬件乘法器以及多個內部和外部中斷。PIC18系列在Microchip的8位產品中性能最佳，以低于16位/32位MCU架構的成本提供高達16MIPS的運算速度和豐富的線性存儲空間。PIC18F87J90 MCU系列可用于實現經濟高效的入門級智能計量解決方案，其具備的資源如下：

　　存儲器：PIC18閃存單片機器件中有兩種類型的存儲器，分別為程序存儲器和數據RAM。PIC MCU基于哈佛架構，對數據存儲器和程序存儲器分別使用獨立總線，從而允許同時訪問這兩個存儲空間。憑借64KB程序存儲器和4KB數據RAM，PIC18F86J90 MCU成為智能計量解決方案的絕佳選擇；而PIC18F87J90 MCU更可讓您安枕無憂，其具備的128KB閃存存儲器可滿足未來移植的需要。該系列器件的閃存存儲器通常能耐寫10，000次擦/寫，且數據保存時間至少20年。同時還具有字寫入功能，可用于數據EEPROM仿真。

　　串行接口：一個可工作在串行外設接口（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。一個增強型通用同步異步收發器（EUSART）提供了IR自動波特率檢測功能。一個可尋址通用同步異步收發器（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支持。

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

　　RTC精度會受到外部時鐘晶振的影響，尤其是外部晶振的溫度漂移。使用由晶振誤差與溫度的關系曲線生成的查找表，可在軟件中調整時間。但是，這可能使RTC程序復雜化，因為需要大型計數器在正確的時間應用這些調整。PIC MCU片上提供的RTCC模塊具有一個軟件可重寫寄存器“RCFGCAL”，該寄存器可以每分鐘自動修改一次計數器值以補償晶振誤差，不會在運行時產生軟件開銷。該一點式校正對于+/-5 ppm的室溫誤差以及晶振溫度范圍內+/-10 ppm的誤差通常很有效，但前提是從聲譽良好的時鐘晶振廠商謹慎采購部件，以將部件之間的差異降至最低。如要對部件間的差異進行質量控制，可應用兩點式校正。

　　要測量RTCC校正的溫度，設計人員可將一個常規結二極管連接到一個ADC引腳（見圖2）。根據充電時間測量單元（CTMU）中的恒流源，可通過ADC以測量二極管上正向電壓的方式來計算溫度。外部二極管的成本遠遠低于任何熱敏電阻或其他溫度傳感器。

　　圖2：充電時間測量單元（CTMU）溫度測量電路。

　　如果需要為時鐘晶振提供更可靠的電流驅動，設計人員可以選擇不同于眾多RTC模塊選項的高功率T1OSC/SOSC電路選項。

　　LCD：PIC18F87J90 MCU內置的LCD驅動器在4復用模式下最高支持192像素。LCD在休眠模式下仍在工作。抄表員在斷電時可通過IR中斷或按下按鈕來喚醒LCD。

　　EMC/ESD：智能電表必須能夠承受惡劣的室外環境并抵御試圖篡改的行為。為此，PIC18 MCU提供了從上電復位（POR）、掉電復位（BOR）和WDT復位等狀態自動恢復的功能，以避免系統閉鎖。

　　能量計算：Microchip提供了免費的PIC18F能量計算固件，可用于計算有功/無功能量、正向/反向能量、有功/無功/視在功率和RMS電流/電壓。源代碼向設計人員開放，供其定制。

　　圖3展示了采用PIC18F87J90系列設計的具有成本競爭力智能電表的解決方案。

　　圖3：PIC18F87J90智能電表框圖。

　　在中國，城市電網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。對于不帶PLC的城市電網T型電表，設計人員可以使用集成了LCD、硬件RTCC和帶復用功能的GPIO引腳的PIC18F87K90 MCU系列。這些MCU的內部振蕩器精度在+/-3%之內，因而無需使用外部高頻晶振。K90系列可適應1.8V～5.5V范圍的電源電壓，集成EEPROM并提供高達16 MIPS的性能。這些MCU還采用超低功耗技術，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。對于帶預付費和PLC通信功能的城市電網K型電表（需要更多的GPIO），設計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計人員更愿意使用單芯片解決方案，因為這樣可以使電路板空間更小并且設計簡單。PIC18F87J72系列帶有16位ADC彌補了PIC18F87J90系列的不足，同時保持相同的存儲空間和外設。

　　在南美、南非、東歐和中東的智能電表市場中，設計人員希望使用帶12位ADC的外部運放來降低成本。PIC18F87J93系列為設計人員提供了集成的12位SAR ADC，同時保持與PIC18F87J90 MCU相同的外設和功能集。

　　設計人員可以輕松地將其設計從智能電表擴展到基本電表，以獲得額外的市場份額。這些基本電表需要較小的存儲器、較少的通信接口和精度較低的RTC，因而價格較低。對于巴西和阿根廷的基本LCD電表市場，設計人員可以使用PIC18F85J90系列，該系列的閃存/RAM較小且具有簡單的基于Timer 1的RTC。對于中國農村電表市場，設計人員可選擇價格更低的帶LCD驅動器和14 KB閃存的PIC16F1937 MCU。PIC16F19XX系列采用Microchip的8位架構增強型中檔內核。

　　為了防止被篡改，南非和巴西的預付費電表放置在電線桿頂部。LCD顯示功能則從電表移至室內顯示單元。為避免不必要的LCD驅動器成本，設計人員應選擇與PIC18F LCD系列具有同等功能但無LCD的器件型號，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。

　　設計人員可選擇從單相智能電表移植到網絡（2相）和3相商用電表，這三種電表都使用相同的PIC18F87J90、K90或J72系列計算有功能量。以單相智能電表設計為起點，設計人員可添加一個單相AFE實現網絡電表，添加兩個單相AFE實現3相電表。Microchip的MCP3901 AFE內置延遲模塊，可輕松實現相移補償。

　　設計人員可以輕松支持上述設計，并利用平臺的以下好處在設計間移植：

　　PIC18F87J90、PIC18F87K90、PIC18F87J93和PIC18F85J90系列均集成LCD，其引腳相互兼容，支持設計在這些系列之間互相移植。這些MCU所對應的無LCD系列器件的引腳也是兼容的，可根據存儲容量和性能要求進行移植。固件可以重用于有LCD和無LCD電表實現方案中的所有PIC18F MCU。

　　高性能智能電表

　　高性能智能電表需要更強大的CPU處理能力、更多通信接口和更大的存儲器，但由于要進行大規模電表部署，電表應處于合理價位。作為Microchip 16位架構的入門級系列，PIC24F MCU非常適合于移植自8位設計，且提高了性能和存儲器的成本敏感型應用。

　　與單相智能電表相比，3相商用和工業電表必須支持以下附加功能：測量全部三個相上的電流和電壓，計算用于監視設備效率的功率因數，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16位架構PIC24F256GA110系列可帶來經濟高效的性能提升，并提供以下增強功能：

　　采用16位架構，數據處理更高效；CPU更快，速度達32 MHz/16 MIPS，且大多數指令均為單周期指令；四個硬件UART端口，更便于通信；16KB RAM的額外數據存儲器和通信緩沖區；從128 KB移植到256 KB閃存時，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接口可輕松連接無線收發器；優化的電路板布局，具有外設引腳選擇（Peripheral Pin Select，PPS）功能，允許在運行時對多個外設分別進行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）。

　　如需要更高性能，可將應用輕松移植至PIC24H系列，使性能達到40MIPS。通過集成的DMA外設支持更高效的數據傳輸。對于35級以上的諧波分析，dsPIC DSC系列通過其集成的數字信號處理器（DSP）提供計算能力。

　　在西歐，支持設備語言報文規范（Device Language Message Specification，DLMS）的高級量測架構（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、用于外部存儲器的并行主端口以及用于附加通信的額外串行端口，可實現數據集中器設計。此外，PIC32 MCU還非常適合于電動車充電站應用的開發。PIC32系列基于功能強大的MIPS32 M4K內核。

　　對于基于互聯網的家庭能源監視，智能電表必須將功耗數據發送到安全服務器。PIC MCU平臺可通過其16位和32位架構以及免費的TCP/IP協議棧來支持該功能。例如，設計人員可以使用PIC24F/PIC24H/dsPIC或PIC32 MCU以及集成了Google PowerMeter API的免費TCP/IP協議棧制造兼容Google PowerMeter的智能電表。

　　16位PIC24F/PIC24H/dsPIC和32位PIC32 MCU之間可共享外設。因此，設計人員可以輕松地從一種單片機方案移植到另一種，并在統一的MPLAB IDE下重用C語言代碼，從而確保各種高性能電表快速上市。

　　集成開發環境

　　MPLAB IDE是一款免費的集成工具套件，用于對采用Microchip的PIC MCU和dsPIC DSC單片機的嵌入式應用進行開發。該IDE以32位應用程序的形式運行于Microsoft的Windows操作系統，使用簡便并且包含眾多免費軟件組件，可快速開發應用，并且具有超強的調試功能。MPLAB C編譯器針對所有PIC MCU和DSC對C語言編程進行了高度優化。

　　未來需求和可能的解決方案

　　智能計量方案在各個方面持續發展。未來的需求和解決方案將根據各個市場領域的需求而變化。例如：

　　預計低端智能電表將需要通過提高集成度進一步降低系統成本。可采用集成了LCD、額外串行端口（如4個以上的硬件UART），還可能集成帶有時鐘晶振的硬件RTCC的100引腳MCU。

　　此外，預計更高性能的智能電表將需要更高級別的安全性和更大的存儲器。可能的解決方案包括帶有LCD、AES-128外設和DMA外設并支持向1MB以上閃存程序存儲器移植的16位/32位MCU。

　　更高的全球化程度允許設計人員參與世界各地的投標，這需要更靈活的“全球電表”設計。一個可能的解決方案是便于修改且可在不同地區重用的“全球平臺”。這需要將多個架構混合，以適應不同的成本/性能結構。盡管C語言可以跨不同架構進行編譯，但外設兼容性對于實際平臺解決方案而言極其重要。可以利用外設庫實現平滑的跨架構移植和代碼重用。

　　本文小結

　　不同地理區域的智能計量解決方案不盡相同，并且隨時間推移而不斷變化。設計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平臺提供了跨8位/16位/32位架構的完整解決方案，并且所有解決方案均在統一的IDE下開發，從而使該設想成為可能。設計人員只需維護最少量的軟件代碼即可保證代碼能在不同的項目中重用。這就避免了因設計在不同市場和項目中的應用，而多次購買軟件庫和開發工具許可證的需要，從而節省了公司的整體投資。隨著智能計量解決方案市場的持續發展，平臺方法將不斷提供成熟有效的方案，以跟上變化的步伐。