關(guān)鍵字：智能電表市場(chǎng) 智能芯片 國產(chǎn)MCU 電子實(shí)驗(yàn)室模塊
國家電網(wǎng)在2015年計(jì)量工作推進(jìn)會(huì)議上確定，今年的計(jì)量工作目標(biāo)包括安裝智能電表6060萬只，累計(jì)用電信息采集3.16億戶，總覆蓋率>80%；整體日均采集率>97.5%。重點(diǎn)工作是加快國網(wǎng)和省級(jí)計(jì)量中心能力提升，加快電能表和采集系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)度，在2015年第一批集中招標(biāo)采購中，完成全年智能電表和采集終端設(shè)備的采購任務(wù)，城市范圍24萬臺(tái)老舊終端力爭(zhēng)2015年全部完成更換，開展農(nóng)村地區(qū)采集終端的軟件升級(jí)完成60%，老舊終端的更換完成50%。此外，還要實(shí)施計(jì)量全業(yè)務(wù)全過程的精益化管理、提升智能化水平。
圖1：中國國內(nèi)市場(chǎng)狀況及發(fā)展趨勢(shì)
圖2：智能電表出口市場(chǎng)的狀況以及趨勢(shì)
圖3：智能電表的儀表測(cè)量及通訊發(fā)展趨勢(shì)
此外，國家也在積極開展技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，要求深化智能雙向互動(dòng)技術(shù)研究，創(chuàng)新智能電表雙向互動(dòng)方式。北京電力利用寬帶電力線載波，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與智能電表雙向互動(dòng)的驗(yàn)證工作，技術(shù)方案是可行的，2015年將深化應(yīng)用。還要深化研究電能表系統(tǒng)級(jí)芯片技術(shù)，開展諧波電表與IR46電能表國標(biāo)建設(shè)的應(yīng)用研究，建立數(shù)字化電能計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和量值溯源體系。
瑞薩：實(shí)現(xiàn)PLC類智能電表標(biāo)準(zhǔn)推廣
瑞薩電子（中國）有限公司市場(chǎng)部秦利剛指出，PLC類智能電表在2014全年招標(biāo)上已經(jīng)超過了70%的份額，其中，單相表總共招標(biāo)數(shù)量超過8千萬只，三相表招標(biāo)數(shù)量超過7百萬只。瑞薩電子預(yù)測(cè)從2011年8097.5%到2015年，PLC類智能電表的符合年增長(zhǎng)率會(huì)達(dá)到52%。
圖4：國網(wǎng)智能電表近年招標(biāo)情況
他繼續(xù)表示，不同國家對(duì)電表有不同的通訊技術(shù)要求，比如無線通訊有要求GPRS、Zigbee、WiFi，而有線有PLC等?，F(xiàn)在來看，歐洲或日本等國家的表廠引領(lǐng)著G3-PLC或者PRIME的技術(shù)發(fā)展，中國目前主流仍是基于FSK/BPSK調(diào)制解調(diào)方式，不利于部分新功能的實(shí)現(xiàn)。盡管瑞薩不能主導(dǎo)中國PLC的標(biāo)準(zhǔn)，但會(huì)努力與合作伙伴共建基于OFDM窄帶PLC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與推廣。
作為PLC全球標(biāo)準(zhǔn)化的重要貢獻(xiàn)者，瑞薩參加了所有PLC聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，包括G3-PLC、PRIME以及IEEE P1902.1等，G3聯(lián)盟更是選擇瑞薩PLC方案作為golden unit來進(jìn)行認(rèn)證參考。因此，瑞薩電子基于OFDM調(diào)制解調(diào)的窄帶PLC解決方案，支持國際通用的G3-PLC以及PRIME等多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
該方案由瑞薩電子提供高度集成化、一體化的專用PLC芯片和與之搭配的MCU等硬件組成，并提供已獲得G3及PRIME聯(lián)盟等各類認(rèn)證機(jī)關(guān)認(rèn)證的軟件，為客戶提供高度靈活性的PLC參考設(shè)計(jì)板、套件以及相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境和工具，幫助客戶快速完成設(shè)計(jì)。UPD809508是瑞薩推出的第二代PLC新品，支持全球不同制式的PLC標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置PHY層算法、MAC控制器、模擬前端、128位AES編解碼，最大功耗僅為250mW。此款產(chǎn)品既能協(xié)助中國本土客戶實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，同時(shí)也可幫助國內(nèi)表廠應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)大的出口訂單需求，特別是對(duì)G3/PRIME PLC有要求的智能電表。
秦利剛還表示，瑞薩電子中國一直樂于與中國國內(nèi)不同合作伙伴共同建設(shè)基于OFDM窄帶PLC技術(shù)，包括最新雙模異構(gòu)等不同需求的PLC技術(shù)的建設(shè)。
Silicon Labs：低功耗+30年的待機(jī)時(shí)間
智能計(jì)量的主要驅(qū)動(dòng)力在于人類對(duì)未來能源和環(huán)境狀況的擔(dān)憂，對(duì)能源使用更智能的管理可減少浪費(fèi)，緩解人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力。Silicon Labs的主打牌便是超低功耗，其授權(quán)代理商世強(qiáng)先進(jìn)科技資深技術(shù)工程師齊凌杰介紹說，目前Silicon Labs主推的MCU分別是號(hào)稱業(yè)內(nèi)功能集成度最高的8位EFM8 Bee MCU和最低功耗的32位EFM32 Gecko MCU。
 世強(qiáng)先進(jìn)科技資深技術(shù)工程師齊凌杰 |
EFM8 MCU主頻最高50MHz，新型的EFM8 Bee系列產(chǎn)品包括三類高集成度、外設(shè)豐富的MCU產(chǎn)品，這些產(chǎn)品為滿足特定開發(fā)人員的需求和應(yīng)用而進(jìn)行了優(yōu)化。Bee系列產(chǎn)品命名正強(qiáng)調(diào)了EFM8平臺(tái)的可擴(kuò)展的性能、能源效率和高產(chǎn)出率。這些MCU通過了高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，包括高速流水線8051內(nèi)核、超低功耗、精度模擬、增強(qiáng)的通信外設(shè)、集成的振蕩器、小尺寸封裝，以及能夠提供靈活的數(shù)字和模擬復(fù)用、簡(jiǎn)化印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)和I/O引腳路由的先進(jìn)Crossbar架構(gòu)。EFM32 Gecko MCU系列具有高達(dá)128kB、8–16kB RAM的閃存，以及速度高達(dá)32MHz CPU的配置。基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，Gecko系列采用創(chuàng)新低能耗技術(shù)，節(jié)能模式喚醒時(shí)間縮短，可搭配各種外圍設(shè)備，是電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及其他需要高性能和低功耗系統(tǒng)的理想選擇之一。
智能計(jì)量的主要功能除了對(duì)能源消耗的測(cè)量、控制和對(duì)系統(tǒng)的故障的診斷外，還強(qiáng)調(diào)了不同系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，與無線技術(shù)緊密結(jié)合，是突破嵌入式技術(shù)的新興快速增長(zhǎng)領(lǐng)域。Silicon Labs的無線產(chǎn)品線成員還包括Sub-GHz收發(fā)器系列、Zigbee系統(tǒng)、無線MCU、Bluegiga系列的藍(lán)牙和WiFi，專門針對(duì)中國快速增長(zhǎng)的智能電表市場(chǎng)。
新型Si4438C EZRadioPRO IC設(shè)計(jì)使無線傳輸距離和電池壽命最大化，同時(shí)降低智能電表30%的物料（BOM）成本。該收發(fā)器專為425-525MHz ISM頻段設(shè)計(jì)，發(fā)射功率為20dBm，接收功率-124dBm，因此也是室內(nèi)能源管理系統(tǒng)和其他智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，諸如遠(yuǎn)距離回程通信到服務(wù)公司應(yīng)用的理想sub-GHz無線解決方案。此外，其40nA待機(jī)電流、極低的發(fā)射和接收狀態(tài)電流、快速喚醒時(shí)間也使得電池使用壽命大大增加。
齊凌杰強(qiáng)調(diào)說：“Si4438收發(fā)器，可滿足中國智能電表市場(chǎng)對(duì)性能、系統(tǒng)成本和規(guī)定的要求。以四節(jié)AA電池為例，經(jīng)過計(jì)算，EFM32TG840+Si4438的待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30年，是業(yè)內(nèi)最低功耗的無線抄表方案。”
華虹：國產(chǎn)MCU新晉者
上海華虹集成電路有限責(zé)任公司此前作為智能卡與信息安全芯片解決方案供應(yīng)商為人所熟知，但是從專用MCU走向通用MCU則是一個(gè)非常巨大的跨越。今年4月，該公司推出了國產(chǎn)第一款超低功耗MCU，業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理南宮榮介紹了針對(duì)計(jì)量產(chǎn)品中的應(yīng)用。
 上海華虹集成電路有限責(zé)任公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理南宮榮 |
據(jù)南宮榮表示，華虹MCU采用了8051核、ARM核、Dolphin及國內(nèi)自主內(nèi)核，架構(gòu)豐富靈活，同時(shí)提供超低功耗技術(shù)，值得一提的是其突出的抗攻擊安全性，以及DES、AES、RSA和ECC等國家商用密碼算法。華虹MCU對(duì)計(jì)量的支持還包括無計(jì)量芯片、簡(jiǎn)單計(jì)量芯片和復(fù)雜計(jì)量芯片三種方式，對(duì)顯示產(chǎn)品的支持也覆蓋從液晶顯示到報(bào)警式顯示等，支持各種傳輸接口、增強(qiáng)抗干擾性。
“華虹MCU的主要特點(diǎn)是一低一高。是低價(jià)格、高配置嗎？”南宮榮笑稱，”非也。我們的一低一高是低功耗和高安全。”他解釋說，智能表計(jì)中最核心的部分是超低功耗MCU，追求MCU的極致低功耗，無疑是MCU的最本質(zhì)要求。華虹設(shè)置多種模式來確保超低電流，同時(shí)，低于3μS的芯片從超低功耗模式下喚醒時(shí)間，有效降低系統(tǒng)啟動(dòng)的功耗，系統(tǒng)反應(yīng)更為敏捷。
在滿足低功耗要求之外，MCU還有另一更為重要更為迫切的使命有待完成，即高安全性。隨著智能電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜程度也在增加，如大量智能表計(jì)以及交互后臺(tái)的介入，電表網(wǎng)絡(luò)的安全問題將會(huì)越發(fā)突出。特別是當(dāng)雙向互動(dòng)越發(fā)頻繁后，網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)一步向用戶側(cè)延伸，用戶側(cè)的安全危險(xiǎn)將越來越突出，端對(duì)端的防護(hù)就顯得尤為重要。因此，智能表計(jì)亟待加強(qiáng)的工作有：一是如何保證終端的安全接入，二是如何防止一些敏感數(shù)據(jù)的泄露。
華虹的安全基因促使其新推出的MCU將提供128位JTAG密碼授權(quán)保護(hù)，可以保護(hù)芯片內(nèi)部的代碼不被非法讀取或改寫，并且集成了抗各種攻擊分析的硬件加密協(xié)處理器以及硬件64位真隨機(jī)數(shù)模塊，每顆芯片還具備唯一8位設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)。使用特殊的加密技術(shù)不僅可以驗(yàn)證交互信息的正確性，同時(shí)還能檢查通信雙方身份的合法性，從而保證信息傳送的安全性。智能表計(jì)MCU內(nèi)部集成了類似于智能電表的ESAM芯片功能，不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，還具有數(shù)據(jù)安全保護(hù)，復(fù)雜密碼運(yùn)算等功能。
圖5：華虹MCU的主要特點(diǎn)
預(yù)計(jì)未來，超低功耗MCU的發(fā)展將朝著以下方向進(jìn)行突破：1、采用更先進(jìn)的工藝線，進(jìn)一步降低MCU工作功耗，如90nm比180nm的MCU動(dòng)態(tài)功耗下降了60%以上；2、采用創(chuàng)新的功耗管理模塊，讓超低功耗MCU的功耗進(jìn)一步降低；3、進(jìn)一步優(yōu)化MCU自身架構(gòu)，更好的為智能表計(jì)服務(wù)；4、集成度更高，將智能表計(jì)系統(tǒng)的外設(shè)集成入MCU內(nèi)部；5、集成硬件國密算法，保障系統(tǒng)信息安全性。
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