當IC供應商意識到，為了在更短的時(shí)間內滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)低成本、高復雜度、高可靠性產(chǎn)品需要大量的表計OEM廠(chǎng)商支持時(shí)，IC供應商從2003年左右開(kāi)始推出了高度集成的專(zhuān)用片上系統(SoC)產(chǎn)品。片上系統集成了AFE、RTC、LCD驅動(dòng)器以及MCU等通用模塊，并提高了可靠性、靈活性以及測量性能，使得全球各地的OEM廠(chǎng)商能夠以更快的速度開(kāi)發(fā)出可靠的低成本電表。僅僅使用單片SoC，配合通信模塊，即可快速滿(mǎn)足專(zhuān)用的電力行業(yè)的基本要求。
智能電網(wǎng)概念的引入以及電力行業(yè)標準要求的不斷提高，需要在智能電網(wǎng)應用中增加更多的存儲器、安全和通信功能，這就要求器件中集成更多的數字電路，集成度按照摩爾定律不斷攀升的半導體制造工藝的發(fā)展也順應了這一應用需求。這是代表了半導體工藝發(fā)展價(jià)值的一個(gè)經(jīng)典案例，它加速了計量工業(yè)的變革。
整體大于部分
IC制造商可以按照部分與整合確立自身的定位，這種區別可能非常細微，但卻非常重要。初看起來(lái)，Teridian的計量SoC只是對傳統模塊的整合，其中也包括了基本計量表。這種快速的復制-粘貼方案類(lèi)似于分離式數/模轉換器(ADC)或微控制器供應商提供的相當通用的設計。而分離式設計是針對特殊應用提供參考設計和相關(guān)程序，并非芯片級設計。
按照市場(chǎng)需求，Teridian擁有專(zhuān)利的“單轉換器技術(shù)”集成了一個(gè)21位、2階Σ-? ADC，七個(gè)多路復用模擬輸入和一個(gè)可編程計算引擎(CE)，如圖1所示。這種架構解決了多路數據采集方案存在的眾多問(wèn)題，比如噪聲和不均衡。在工業(yè)溫度范圍內，該ADC仍可保持由于2000:1的動(dòng)態(tài)范圍，具有業(yè)內最佳指標。32位CE為信號處理器，通過(guò)硬件實(shí)現標準測量功能，并可對系統進(jìn)行升級支持新的用戶(hù)功能。
圖：Teridian最新一代計量IC，在單芯片中集成了計量和接口功能。
通過(guò)ADC前端的多路復用器實(shí)現多相測量，同時(shí)集成了計算引擎實(shí)現測量功能。
第四代Teridian器件采用專(zhuān)有的隔離技術(shù)(見(jiàn)圖)，利用低成本電流分流器替代電流變壓器和銅饋線(xiàn)。Teridian的最新一代計量IC集成了計量和接口功能，結構區別主要在于多路復用ADC和用于測量的專(zhuān)用計算引擎。
集成通信功能?
到目前為止，絕大多數分離式和基于SoC的計量方案，均采用傳統的計量與通信模塊相分離的方案。這種系統分割主要依據了AMR行業(yè)的慣例。許多通信基礎設施運營(yíng)商作為獨立的商業(yè)實(shí)體運作，并通過(guò)專(zhuān)用的通信模塊提供電表的連接。然而，這種慣例在大型電網(wǎng)中正在開(kāi)始改變，把通信功能集成到單板設計或更高集成度SoC，可以有效降低硬件成本。這不僅降低了智能電表的成本，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性。
我們目前看到的智能電網(wǎng)在設計架構上發(fā)生了根大變革，涉及不同的行業(yè)和邊緣技術(shù)，特別是把計量與通信功能整合到了單一器件。截止2009年，接近50%的智能電表是基于單板設計，SoC取代了許多冗余微控制器、存儲器件和接口。此外，許多設計中低端收發(fā)器被RF/電力線(xiàn)通信(PLC)調制解調器所取代，并將功能強大的協(xié)議處理集成到SoC。
如上所述，智能電網(wǎng)正在開(kāi)發(fā)RF和PLC技術(shù)的應用。在美國，家庭連通方案主要采用ZigBee、Homeplug和Wi-Fi (IEEE 802.15.11)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò )連通(電網(wǎng))可能采用任何非標準方案，而在通信模塊和設備(諸如智能電表和家用電器)之間將制定一套標準接口(詳細信息請參考www.usnap.org)。
電網(wǎng)設備中不可或缺的是安全性和高層互通性(定義為ANSI12.19)，以確保各種智能電網(wǎng)子系統成為互通、安全網(wǎng)絡(luò )。正在開(kāi)發(fā)的SUN PHY (IEEE 802.15.4修訂)和IEEE 1901技術(shù)致力于制定統一的PLC技術(shù)(http://grouper.ieee.org/groups/1901/)。這些技術(shù)開(kāi)發(fā)使得人們目前很難預測主導未來(lái)市場(chǎng)的標準。但有一點(diǎn)是確定的，家庭網(wǎng)絡(luò )(HAN)中消費者在市場(chǎng)上會(huì )有多種選擇方案，通信鏈路之間的橋接方案將很快投放市場(chǎng)。
至于安全性，目前HAN(ZigBee、Homeplug)采用的是128位加密方案，電網(wǎng)中可能采用256位加密方案，例如：ZigBee智能能量管理2和802.16 WiMAX。許多AMI設備的數據傳輸速率達到了50至100kbps。
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