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智能电表方案各家谈

2012-09-23 18:12:41 来源:与非网记者 岳浩

智能电表一直是炒的比较热的话题,而各大半导体厂商也是借着这股势头纷纷在推荐自己的产品和方案,今天就为大家简单介绍下各家在智能电表领域的主要产品。

 

                                                      智能电网框图

 

忍不住又用到了飞思卡尔官网上的这张贴图,虽然图上的标注并不一定完整,但是它为我们呈现了整个智能电网的一个框架。计量,作为电表最基本也是最重要的一个功能,图中也醒目的标注出了。当然,作为智能电表,我们对它有了更多要求,而它如何能满足人们多样化的需求呢?首先,它必须要有一颗坚强的“芯”——MCU。

 

控制单元MCU比较


作为智能电表的大脑,MCU一直都是最重要的模块,它负责着采样数据的处理、显示,也负责着对外数据流的交换,可以说它的性能直接决定了智能电表的性能。从目前主要的智能电表方案来看,所用的MCU基本都包括了液晶显示接口,RTC实时时钟,各类通信接口,如RS485,PLC,无线模块等,当然针对不同价位的方案,配置也略有差异。下面看下主要半导体厂商的MCU产品:

 

1) 飞思卡尔,针对低、中、高端智能电表要求,飞思卡尔有S08MZ、S08GW系列,MCF51EM系列,以及Kinetis K30系列。飞思卡尔提供了8位和32位的微控制器解决方案,特别是MZ系列微控制器,是专门为中国智能电网的新标准定制的。


2) 意法半导体,同样也是8位和32位的MCU解决方案。STM8L低功耗系列主攻低端市场,STM32系列以及可以配置的微处理器SPEAr系列负责中高端市场。


3) 德州仪器,MSP430系列,是超低功耗的16位微控制器方案。


4) 爱特梅尔,从6脚Atmel tinyAVR到 megaAVR, AVR XMEGA, 32位 AVR、Cortex-M3、ARM7以及400MHz ARM9等众多8位和32位微控制器。

 

从各家推出的方案来看,基本都是用8位控制器来做低端市场,中高端用32位控制器来做方案;而德州仪器主推16位MSP430系列来针对智能电表市场,对应低端市场,它有MSP430AFE2系列的产品,而对应中高端,它也有4系列的产品,与其他家相比只是市场策略不同而已。

 

电表因为应用的特殊要求,对能耗要求较高,所以各家的超低功耗产品也是必须特别提一下的。如飞思卡尔的S08GW系列、S08LL系列,意法半导体的STM8L、STM32L系列,德州仪器的MSP430AFE2xx以及MSP430FE47X2系列,爱特梅尔运用picoPower技术的tinyAVR、megaAVR和AVR XMEGA系列。


而在功能模块SoC方案上,德州仪器似乎做的更好,低成本的MSP430FE47x2 MCU通过将 ESP 能量计算引擎与 2x16 位 Σ-Δ ADC、128 段 LCD 驱动器、高达 32KB 的闪存与 1KB 的 RAM、实时时钟集成在一起,使得MCU 在系统组件上缩减到原来的五分之一。

 

    MSP430FE47x2 MCU SoC方案使得MCU 在系统组件上缩减到原来的五分之一

 

通信方案比较


目前国内用得是RS485或者PLC载波通信方式。485通信需要另外布线,施工量太大,不方便大范围实施;而载波通信目前国内完全是窄带的FSK载波,这也存着不少问题,首先电力线的负载特性影响较大,容易造成通信信道的不稳定不可靠,而且FSK载波方案的传输速率不够,达不到实时通讯的要求。

 

目前中东和欧洲正在部署PRIME或G3的标准,这是一种OFDM的载波通讯方式,速率在20K-100K能够保障实时通讯的要求,这也是很多公司在推的一种方案;而针对目前的FSK调制技术,也有一些改进方案,以安森美半导体的S-FSK调制技术为例,针对电力线的特点,采用S-FSK和ASK自动切换的方式来应对最常见的窄带干扰。一般情况下,PLC Modem工作在所谓S-FSK调制方式:两个载频分开的较远 (>10 kHz)。如果有窄带干扰影响了某一个载频,Modem还可以利用另一个载频通信。此时Modem工作在ASK调制方式。下面我们具体来看各家的产品:

 

1) 飞思卡尔,针对OFDM、S-FSK两种载波方式的MC13260通信芯片;


2) 意法半导体,针对OFDM方式的芯片有ST7590,B-FSK方式的有ST7538Q、ST7540,S-FSK方式的有ST7570,以及针对B-FSK, B-PSK, Q-PSK, 8-PSK多种调制方式的ST7580;


3) 爱特梅尔,有针对OFDM以及完全兼容PRIME通信模块的ATPL2xx系列;


4) 美信,主要在推G3通信方案,产品型号是MAX2992,属于业内首款芯片;针对OFDM方式,美信也是业内第一个推出相应芯片的厂商,型号是MAX2990;


5) 德州仪器,基于C2000这个MCU平台,可以灵活的为客户定制针对SFSK,FSK、G3、PRIME、P1901.2 OFDM等标准的方案。与其他厂商采用ASIC专用芯片方式不同,德州仪器采用的是DSP方案。针对不同技术标准,用户只要升级不同的软件协议栈就可以推出相对应的方案,而无需进行硬件的更改。

 

无线方案中,各家基本以ZigBee为主,如飞思卡尔的MC13202、MC1322x,意法半导体的SPZB250、260等,德州仪器的CC2520/CC2530,以及CC2500/CC2550等,当然很多MCU本身就SoC无线模块在里面了,如STM32W等,这里就不再累赘了。


安全功能比较


个人认为安全主要包括两方面,一方面如何保证电表数据的安全,在掉电或其他情况下数据不会丢失,如何能够防止篡改;另一方面,如何保证数据传输的安全,如何保证数据在传输时个人用户的一些隐私信息是否安全等等。


目前的智能电表中都有ESAM安全模块,基本可以满足上述要求。而各家半导体厂商又都有哪些方案和产品来确保安全呢,具体来看下:


1) 在防篡改方面,飞思卡尔有多种传感器可供选择,如加速度传感器NMA745xL,接近传感器MC33941,压力传感器MP3V5004等;


2) 意法半导体在RTC(实时时钟)有专用的管理芯片M41ST87W;当然一些MCU本身都带RTC模块,如飞思卡尔的MCF51EM256等等,也就不需要单独的管理芯片了。


3) 德州仪器的ZigBee无线通信芯片是带有AES128加密模块的,而且其给用户提供了多种加密算法,客户可以灵活的选用和配置。


智能电表因为政府主导比例较大,所以与其他领域相比增长还是相对稳定,这也是各大半导体厂商竞相追逐这块市场的主要原因。


从产品和技术来看,各家也各有优势,比如飞思卡尔,产品线比较全,智能电网大概念的产品它都有涉及,而且在传感器方面的优势,为智能电表在安全方面的设计提供了多种传感器作选择;意法半导体,提供了多系列的单片机选择方案,而且各种功率模块、电源芯片也为智能电表设计提供了多种选择;德州仪器,MSP430,无论在功耗、还是性价比上都是智能电表方案中相当有竞争力的产品,而且德州仪器的很多SoC方案为产品设计更小、成本更低提供了可能。而且这些厂商都积极参与到各项标准的制定中去,为智能电表的更加完善提供助力。

 

其他一些半导体厂商也专注着一些特定的领域,相信它们在不久的将来在智能电表领域,也会有自己的一席之地。

 

以上是笔者对几家半导体厂商在智能电表领域产品的一个比较,囿于水平,也只能完成个大概,不足之处还请各位批评指正。我的邮箱 yuehao@eefocus.com,个人微博 http://weibo.com/u/2869667222。乐意随时与您作进一步的交流。
 


 

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