針對智慧電表推出的一款平台解決方案 (三)

在中國城市輸配電力網中的智慧電表需要額外的通用I/O(GPIO)以滿足各種通訊需求。對於不帶PLC的城市輸配電力網T型電表，設計人員可以使用整合LCD、硬體RTCC和帶複用功能的GPIO接腳的PIC18F87K90 MCU系列。這些MCU的內部振盪器精度在+/-3%之內，無需使用外部高頻晶振。K90系列可適應1.8V-5.5V範圍的電源電壓，整合EEPROM並提供高達16 MIPS的性能。這些MCU還採用超低功耗技術，在深度休眠模式下的電流消耗僅60nA。對於帶預付費和PLC通信功能的城市輸配電力網K型電表，設計人員可以使用具有外接LCD和RTC的PIC18F67J11 MCU。

土耳其的智慧電表設計人員使用MCU解決方案的意願高，能使電路板空間更小並且簡化設計。PIC18F87J72系列帶有16位元ADC，彌補了PIC18F87J90系列的不足，同時保持相同的儲存空間和週邊。而南美、南非、東歐和中東的智慧電表市場中，設計人員希望使用帶12位元ADC的外接運放來降低成本。PIC18F87J93系列為設計人員提供了整合的12位元SAR ADC，同時保持與PIC18F87J90 MCU相同的週邊和功能。

設計人員能輕鬆地將設計從智慧電表擴展到基本電表，以獲得額外的市場佔有率。這些基本電表需要較小的記憶體、較少的通訊介面和精度較低的RTCC，因而價格較低。對於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，該系列的快閃記憶體/RAM較小且具有基於Timer 1的RTC。中國農村電表市場中設計人員可選擇價格更低的帶LCD驅動器和14 KB快閃記憶體的PIC16F1937 MCU。

為了防止被篡改，南非和巴西的預付費電表放置在電線杆頂部，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的元件型號，這些系列提供28到80接腳封裝以及16到128 KB快閃記憶體，可滿足各種需求。

設計人員可選擇從單相智慧電表移植到網路(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。以單相智慧型電表設計為起點，設計人員可添加一個單相AFE實現網路電表，添加兩個單相AFE實現3相電表。Microchip的MCP3901 AFE內建延遲模組，可輕鬆實現相移補償。

高性能智慧型電表

高性能智慧型電表需要更強大的CPU處理能力、更多通訊介面和更大的記憶體，但大規模電表部署應有合理價位。作為Microchip 16位元架構的入門級系列，PIC24F MCU非常適合移植自8位元的設計，且提高了性能和記憶體的成本敏感型應用。

與單相智慧型電表相比，3相商用和工業電表必須支援以下附加功能：測量全部三個相上的電流和電壓；計算用於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位元架構PIC24F256GA110系列可帶來經濟高效的性能提升，並提供以下增強功能：採用16位元架構，資料處理更高效；CPU更快，速度達32 MHz/16 MIPS，且大多數指令均為單週期指令；四個硬體UART埠，更便於通訊；16 KB RAM的額外資料記憶體和通訊緩衝區；從128 KB移植到256 KB快閃記憶體時，接腳間互相相容；通過硬體I2C介面可輕鬆連接外接EEPROM和LCD；通過額外的SPI介面可輕鬆連接無線收發器；最佳化的電路板布局，具有週邊接腳選擇(Peripheral Pin Select，PPS)功能，允許在運行時對多個週邊分別進行I/O映射；可靈活選擇64、80或100接腳封裝；休眠模式下的基本斷電電流典型值為4 µA。

在西歐支援設備語言報文規範(Device Language Message Specification，DLMS)的高階量測體系電表需要256 KB以上的快閃記憶體和16 KB以上的RAM。PIC32系列可解決此問題，其快閃記憶體最大為512 KB，RAM最大為128 KB。PIC32MX6系列還整合了USB、乙太網、用於外接記憶體的並行主埠以及用於附加通信的額外串列埠，可實現資料集中器設計。此外，PIC32 MCU還非常適合於電動車充電站應用的開發。

對基於網路的家庭能源監視，智慧型電表必須將功耗資料安全發送到伺服器。PIC MCU平台可通過其16位元和32位元架構以及免費的TCP/IP協定堆疊來支援此功能。16位元PIC24F/PIC24H/dsPIC和32位元PIC32 MCU之間可共用週邊，設計人員可以輕鬆地從一種微控制器方案移植到另一種，並在統一的MPLAB IDE下重用C語言程式碼，確保各種高性能電表快速上市。

未來需求和可能的解決方案

智慧計量方案持續發展，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。低階智慧電表將需要透過提高整合度來降低系統成本。可採用整合了LCD、額外串列埠(如4個以上的硬體UART以及帶有時脈晶振硬體RTCC的100接腳MCU。而更高性能的智慧電表將需要更高級別的安全性和更大的記憶體。可能的解決方案包括帶有LCD、AES-128週邊和DMA週邊並支援1 MB以上快閃記憶體程式記憶體移植的16位元/32位元MCU。

更高的全球化程度允許設計人員參與世界各地的投標，這需要更為靈活的全球電表設計。一個可能的解決方案是便於修改且可在不同地區重用的平台，需要將多個架構混合，以適應不同的成本/性能結構。不同地理區域的智慧計量解決方案不盡相同，並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平台提供了跨8位元/16位元/32位元架構的完整解決方案，並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體程式即可保證程式能在不同的專案中重用。隨著智慧計量解決方案市場的持續發展，平台解決方案將提供成熟有效的方案以跟上變化的步伐。

（本文由Microchip Technology Inc.高階微控制器架構部產品行銷經理崔勇提供，周維棻整理。）