一种应对智能计量需求的平台设计和实现
出处:taohl 发布于:2011-08-26 17:06:52
智能计量的挑战主要是来自于"智能"二字,并非只是简单的将仪表、传感器、通信系统集中起来就能组建成一个智能化的系统。智能主要是体现在,通过应用一些软件系统,可以很好地收集和管理公共事业部门的计量数据。 一个智能化的系统,它的任务不仅仅只是识别故障。在客户通信被切断的情况下,它应该可以及时通知客户,并具备自动处理故障的能力。它能够评估出遭受停电的所有区域,并寻找出别的路径来传输能源,从而减少受影响的范围。它还应该能够确定故障设备的具体位置,并将详细信息给检修人员。新的智能系统还将试图告知检修人员应该带上什么工具,同时如果检修部门没有所需的匹配工具,它还可以自动与供应商或其他事业部门沟通协商。
据估计,范围内将要安装20亿台智能电能表,其中美国1.5亿台、欧洲3亿台、中国3.5亿台,以及在加拿大、澳大利亚、新西兰也有少数智能电表需要安装;除这些国家外,其他国家总共将会需要安装12亿台智能电能表,虽然这些国家目前还没有列出具体的安装计划,但这并不阻挡发展智能计量这个大趋势。
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
Microchip Technology Incorporated(纳斯达克股市代号:MCHP)是的单片机和模拟半导体供应商,为数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的产品上市时间。Microchip公司自成立以来,就密切关注嵌入控制半导体产品市场。为了占领市场,集中了所有的技术、设计、生产、销售等各方面资源发展了两大拳头产品:PIC8位单片机(MCU)和高品质的串行EEPROM.到目前为止,Microchip公司已推出微控制器外围设备、模拟产品、RFID智能卡、KEELOQ保安产品,可设计出更全面,更具价值的嵌入控制系统方案,以满足用户日益增长的需求
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、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。
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,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。
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的英文全称是Real-Time Clock,翻译过来是实时时钟芯片。 RTC是PC主板上的晶振及相关电路组成的时钟电路的生成脉冲,RTC经过8254电路的变频产生一个频率较低一点的OS(系统)时钟TSC,系统时钟每一个cpu周期加一,每次系统时钟在系统初起时通过RTC初始化。8254本身工作也需要有自己的驱动时钟(PIT)。
RTC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。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。
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。
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,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,其闪存为512KB,RAM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 集成开发环境(IDE)是综合的编辑器、项目管理器和设计平台,适用于使用Microchip 的PICmicro® 系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。MPLAB IDE 是适用于PICmicro® 系列单片机和dsPICTM 数字信号控制器,基于Windows® 操作系统的集成开发环境。它有以下功能:使用内置编辑器创建和编辑源代码;汇编、编译和链接源代码;通过使用内置模拟器观察程序流程调试可执行逻辑;或者使用MPLAB ICE 2000和 MPLAB ICE 4000 仿真器或MPLAB ICD 2 在线调试器实时调试可执行逻辑;用模拟器或仿真器测量时间;在观察窗口中查看变量;使用 MPLAB ICD 2、PICSTART® Plus 或 PRO MATE® II 器件编程器烧写固件;使用MPLAB IDE 丰富的在线帮助快速找出问题的答案。
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“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“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的成本提供且上市快的解决方案。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。
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