智能电表典型方案设计实例精华汇总
摘要： 智能电表凭借着其节能、高精确度等多种优势，在最近几年迅猛发展，据研究机构数据显示，中国2012年的智能电表数量将超过1.1亿个，到2016年，出货量会达到1.45亿个。面对这么一个大市场，各大厂商都在智能电表方案上面进行了多方面的研究改进以提高其竞争力。下面我们就通过介绍一些智能电表的技术方案来加深大家对智能电表的了解。
智能电表凭借着其节能、高精确度等多种优势，在最近几年迅猛发展，据研究机构数据显示，中国2012年的智能电表数量将超过1.1亿个，到2016年，出货量会达到1.45亿个。面对这么一个大市场，各大厂商都在智能电表方案上面进行了多方面的研究改进以提高其竞争力。下面我们就通过介绍一些智能电表的技术方案来加深大家对智能电表的了解。
预付费智能电表设计要考虑什么问题
本文旨在通过对恩智浦半导体智能电表解决方案的介绍，使大家对非接触式预付费智能表系统有一个整体的认识。本文还对一些常见问题做出了回答，诸如：非接触式预付费智能表系统是如何工作的?非接触式技术带来哪些益处?公用事业预付费系统有哪些优点?智能卡在测量系统中起什么作用?预付费智能表系统需要什么程度的安全级别?使用非接触式预付费智能表系统时需要考虑哪些关键问题?
智能电表系统简介
日益紧张的能源供给和上涨的能源成本迫使电力供应商更有效地计算、监测和控制电能分配。
电网的老化和近年来屡次出现的电力中断现象很清楚地显示出输电网的使用已经达到极限。因此电网公司需要更多的统计数据进行测算分析，以更有竞争力的价格买卖电能。
全世界的政府机构都很重视可再生能源方面的技术，美国奥巴马政府斥资45亿美元鼓励创新和促进可再生能源科技的推广使用。其中创新之一便是公用事业智能表的改革。中国政府也于日前宣布了高规格的智能电网计划。这些计划将给智能电表行业带来前所未有的发展契机。
智能表允许家用和商用电能系统自动将电能消费纪录传给公用事业管理中心和终端使用者，允许每个人跟踪其电能使用情况并随时调节使用量。如果用户家中有数字工具可控制电能使用量，则在用电高峰时期输电网的最大负荷就可减少高达15%，未来20年里不用再建新的发电厂和配套基础设施，由此可节省700亿美元。
从长期来看，保护环境的需要使得很多国家不得不另辟蹊径以节约能源并减少石油消费和二氧化碳的排放量;另外，政府和公司也希望减少偷电等欺诈行为。
非接触式预付费智能电表系统可解决这些难题，同时使智能卡和智能电表系统更加安全。
预付费智能表系统
1.什么是预付费智能表?
预付费意为预先支付公用事业服务费用，例如水电费、煤气费等。一张非接触式智能卡就能记录所有信息，包括用户的使用时间、用量和花费。
2. 预付费智能卡是如何工作的?
首先，消费者为支付公用事业费用可通过银行、非接触式终端机或者互联网向非接触式智能卡上充值;然后，在消费者家中，智能卡中的充值金额可转到非接触式智能表中，消费者就可安心享用公用事业服务了;如智能卡中余额不足，消费者可在商店购买充值卡向智能卡中充值即可。消费者家中也可留一张备用卡，以防智能卡中余额不足或者消费者不想或不能立即向智能卡中充值等情况。否则，一旦智能卡中余额不足，消费者就不能享用公用事业服务了。可以预见在不久的将来，手机有可能代替智能卡实现这些功能。
3. 预付费系统有何优势?
短期来看，公用事业收费更快更及时：计费表大都装在居民家中，如果家中没人，电表公司就不能及时抄表，引起额外成本;为抄表和维修节省成本：不再需要派专人花大量时间去抄表。智能卡和智能表寿命更长，省去了维修成本。同时，也节省了计费管理成本;先付费，后使用，直接消除了不付款的风险。在使用智能表的情况下，没有任何人可以逃避缴费。另外，如果房东想出租房子，对房东来讲，预付费系统的优势立显;用户可更容易地控制自己的使用量，而且不会因电源突然中断而烦恼。
长期来看，为公用事业管理中心降低抄表和维修的人力成本;可提高电网公司业务效率：便捷控制可减少使用量。在用电高峰期，使用此系统可减少电能使用量，，从而使电网公司不必建很多发电站，减少了不必要的投资，由此可使电网公司节省数十亿美元;消费者可更加方便地控制使用量从而减少了能源用量;有利于保护环境：这尤其利于石油和水资源短缺的地区，减少能源消费量有益于这些地区的发展，并可抑制物价上涨;非接触式智能表系统对高湿度高温度等恶劣环境抵抗力更强，从而延长了电表的使用寿命。
给公用事业公司和中介机构带来的好处：非接触式智能表系统可自我管理，不需要派专人抄表或者派专人管理某处房子的电源系统。非接触式智能表系统工作寿命更长，管理成本更低。和传统的仪表系统相比，该系统在行政费用结算以及登记管理开销/注销方面，成本更低;该系统具有可靠、高效和自主管理等优点，而且在费用不足的情况下可自动中断服务。系统通信仅限于卡和读卡器之间，不需要将读卡器中的数据再传送到电网公司;信用记录差的客户或频繁搬家的客户都可使用该系统，因此扩大了客户群也增加了公用事业公司的收益;该系统先付费的特征有利于公用事业公司更快地收回投资成本，降低不支付风险(它可以占到智能电网公司收益额的10%)。
给消费者带来的好处：消费者通过该系统可清楚地了解自己的使用量，从而会减少用量并提前为水电消费做出预算。大部分人直到拿到电费单才知道自己每月到底用了多少度电。拥有更多的控制权也意味着有更多的灵活性。在用电高峰时电价上涨，因此鼓励消费者错开用电高峰，在需求较少时洗衣;该系统操作简单方便：有时人们无意中忘记付账单，或者要专门去银行转账支付，或者在回家的路上账单丢了，都会引起麻烦。预付费系统很容易地解决了这些问题，从而降低了非自愿不付款的风险;该系统同样允许那些曾经有不良信用记录或者信用度低的消费者使用;智能卡中只存有需要完成交易的金额，不包含个人信息。
为什么非接触式系统要预付费?
1. 市场发展趋势
非接触式技术的应用是银行、门禁管理、交通运输和电子政务发展的需要。万事达、维萨和美国运通正在美国和一些欧洲国家部署非接触式技术用于安全支付。非接触式技术已经在公共交通部门运用很多年了。目前世界上很多国家的电子护照和身份证都是非接触式的了。另一些地方，比如自动售货机也开始运用非接触式技术了。
非接触式技术集多种功能于一张卡中，包括电子钱包、公共交通和支付公路费等功能，这种卡正在越来越流行。多项服务集于一身使得运营商在巩固成本的基础上扩大了客户群并增加了收益。
2. 非接触式技术的优势
以上讲的都是非接触技术能够给我们带来哪些益处。下面再来看看智能表系统的益处：
非接触式智能卡密封性好，能抵抗恶劣环境的侵蚀，如高温、低温、潮湿、水和灰尘等，因此保证了卡的寿命更长。即便卡损坏了，卡内的芯片照样可以工作，非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良造成的故障。非接触式IC卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。
读卡器可对抗恶劣的天气，从而延长了寿命，将维修成本降到最低。整个非接触式系统要比接触式系统可靠得多。
大多数计量表都被安装在昏暗狭小的壁橱里，要插进去卡还真不是一件容易的事情。接触式IC卡首先需要插进读卡器中才能完成交易，因此减少了IC卡的寿命。
非接触式IC卡只要在近距离范围内靠近读卡器就可完成交易。
安装非接触式智能卡系统和接触式智能卡系统的成本是相同的。
为什么非接触式预付费系统安全?
只要和金钱相关，不法分子总会想方设法不付费或者少付费。尤其是在水电短缺的国家，偷电偷水的激励更大，因此公用事业公司应该防止不法分子的偷窃行为。
许多国家偷电现象非常普遍。在某些地区，消费者篡改电表使之停止甚至倒转，这样就能偷电成功。在新一代非接触式预付费智能系统中已经有了反偷电行为的设置了。
非接触式预付费技术因避免了数据在用户和电网公司之间的传送而更加安全。只签名、不加密、传送渠道也不安全的数据极易被阅读和操纵。非接触式预付费系统只在读卡器和IC卡之间传送数据，不受外界干扰。当然读卡器和IC卡之间传送数据也要安全，以防止有人恶意窃取卡内金额，高安全非接触智能卡技术能完美的满足以上应用需求。
产品描述
1. 非接触和预付费
智能电表需要智能产品与之配套。预付费电表是如何工作的?非接触电表系统包含硬件和软件两个部分。硬件包括一个非接触读卡器，一个主控制器，外围设备，一个天线和配套部分;软件包括微控制器固件，主机驱动程序软件和演示软件。
恩智浦针对非接触式预付费智能表系统的IC卡阅读器有MFRC510、MFRC522、MFRC523、MFRC530、MFRC531和CLRC632等产品。另外恩智浦公司会依据未来新的需求继续研发新的解决方案。
2. 智能表的其他IC元件
从上面的框架图来看，智能卡明显是一个很复杂的系统，包含很多不同的元件。为使智能表系统正常运行，恩智浦也提供了很多配套产品系列，包括微控制器、显示驱动器、实时时钟、逻辑产品(一般产品，串行EEPROM，桥接芯片，UART， 具有I2C的温度传感器)，电源管理产品(starplug家庭)，普遍适用的分立(BISS晶体管，肖特基二极管，可再生能源技术)和无线通信模块(图 3)。
上图所列的恩智浦产品，产品技术很先进，而且已在仪表系统中应用多年了。
3. IC卡的安全性
恩智浦研发的产品中包括安全性极高的IC卡，可降低被操控的风险。此卡的读卡器中含有安全访问模块(SAMs)，如电子护照一样安全性极高，并满足通用标准
EAL5+。这种智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最优化的技术，将用于公钥基础设施的异常强劲的协同处理器和对称密钥加密结合起来支持RSA、ECC、DES和AES。除提供最优化功能和最高安全性外，它还拥有简便易操作的先进操作系统和开放平台解决方案。
智能卡的商业优势
尽管非接触式预付费智能表系统的初始投资较高，但其收益丰厚，兼具经济效益和社会效益。首先，智能表系统比以往价格更低，这促使全球越来越多的地区选用智能表系统。在欧洲，三年来单个智能表的价格已从300美元降到了50美元。因此，安装智能表的初始成本已不像前几年那么高了。意大利国家电力公司埃奈尔花费30亿美元安装了3千万个智能表(每个约合100美元，因而每年节省7亿美元，五年内就将投资成本全部收回。到2010年，预计投资成本会再降低30%到40%，投资成本可更快收回。
目前，发行非接触式卡是具有成本效益的，该卡可以使用很多年。对于一个拥有100万客户的公司来讲，发行非接触式卡可消除结算过程中的成本，因而每年可节省几百万美元。结算成本是电网公司的主要成本之一，而预付费系统则可降低或者完全消除结算成本。
非接触式卡或其他的非接触式设备(如手机)还可提供别的服务，如大型超市发放会员卡可提高顾客忠诚度，政府可发放10元面值的卡用于相关社会福利等。
另外，还有之前提到过的，非接触式预付费系统可消除恶意欠费的风险，由此而节省的费用可占到电网公司收益的10%。
非接触式预付费智能系统带来的社会效应也是不可忽视的。首先，此系统可使更多的人享用公用事业服务，因此提高了社会福利，并减少了偷电偷水等犯罪行为;其次，此系统降低了人均水电用量，减少了二氧化碳排放量，因此改善了人们的生活质量。
为实现上述收益，电网公司需要有经验的公司提供支持，而恩智浦就是最佳合作伙伴。恩智浦有多年非接触式市场经验，已经为社会提供了超过一亿个的IC卡读卡器和20亿张的非接触式卡提供芯片技术支持，这些都证明了恩智浦技术的可靠性。
因此，即使新技术的初始投资成本高昂，收益也是立竿见影的。“技术是昂贵的，但是不使用将更加昂贵。”非接触式预付费智能电表系统在全球范围内的迅速应用已经使其价格更低，过渡更快。
高能效智能电表电源方案
从智能电表的组成来看，主要包括通信、电源及电源管理、计量及存储等功能模块。安森美半导体提供应用于智能电表各个功能模块的丰富解决方案，如 PLC 调制解调器和线路驱动器、放大器、稳压、监控、电压保护、温度传感器、实时时钟、存储器、LCD 背光、I/O 接口、智能卡接口和 I/O 扩展器等。
其中，就电源及电源管理模块(参见图 1)而言，半导体厂商提供的产品包括高压交流-直流(AC-DC)开关稳压器、直流-直流(DC-DC)开关稳压器/控制器和低压降(LDO)线性稳压器 等(参见表 1)，方便用户根据具体应用选择适合的方案。这些电源方案具有高能效、低能耗及丰富保护特性等特点，非常适合智能电表应用。
图 1：智能电表电源及电源管理模块框图。
表 1：应用于智能电表电源及电源管理模块的器件列表。
提供高能效及低待机能耗的 AC-DC 开关稳压器
如表 1 所示，在交流-直流电源转换部分，可以选用安森美半导体的一系列开关稳压器，如适合低功率应用的 NCP1010/1/2/3/4 自供电单片开关稳压器、适合中等功率应用的NCP1027 高压单片开关稳压器，以及高压门控开关稳压器 NCP1050/1/2/3/4/5 等。
以 NCP101x 为例，这系列器件集成了固定频率电流模式控制器及典型导通阻抗为 11 或 22 Ω 的 700 V MOSFET，提供构建强固及低成本开关电源所需的全部特性，包括软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点及动态自供电(不需要辅助绕 组)等。在正常负载工作期间，NCP101x 以 65、100 及 130 kHz 中的某一频率开关;而当电流设定点降到低于某个给定值(如输出功率需求消失)时，NCP101x 自动进入所谓的跳周期模式(在此模式下跳除不需要的开关周期)，从而提供极佳的轻载能效。由于进入跳周期模式通常发生在最大峰值电流的 1/4 时，故没有可听噪声产生。因此，待机能耗降至最低，且没有可听噪声产生。NCP101x 典型应用电路及不同型号的关键参数参见图 2。
图 2：NCP101x 单片开关稳压器典型应用电路及不同器件关键参数。
NCP1027 则为目标输出功率等级为数瓦到 15 W 的通用主电源反激应用提供新的方案。这器件采用安森美半导体专有的高压技术，集成了均直接连接至大电容的功率 MOSFET 及启动电流源。为了防止在低输入电压条件下出现热失控，这器件具有的可调节输入欠压保护电路阻止出现这种状况，直到达到充足的输入电平。这器件的其它特性 包括可调节斜坡补偿、过功率保护、短路保护、过压保护等。此外，NCP1027 提供较大的导通阻抗值，使其成为待机/辅助离线电源或要求较高输出功率应用的极佳选择。
NCP105x 是使终端设备能够符合低待机能耗要求的单片开关稳压器，这系列器件直接采用整流的交流线路电源工作。在反激转换器应用中，它们在 100、115 或 230 V 固定交流输入电压下能够提供 6.0 至 40 W 的输出功率，而在 85 到 265 V 的可变交流输入电压下能够提供 3.0 至 20 W 的输出功率。这系列器件提供有源启动稳压器电路，使转换器变压器上无需辅助偏置绕组。其它特性包括故障检测器及可编程定时器(用于转换器过载保护)、独特 的门控配置(提供极快环路路应及双重脉冲抑制)、电源开关限流、带迟滞的输入欠压锁定、热关闭及自动重启故障检测等。这系列器件 25 ℃结温下的限流阈值典型值介于 100 mA 到 680mA 之间。
提供不同电流电平的 DC-DC 开关稳压器
关稳压器 NCP3155、1.5 A 开关稳压器 NCP3063/4、0.5/1.0/3 A 开关稳压器 LM2594/5/6、NCP3020/11 脉宽调制(PWM)控制器及 NCP1034 PWM 控制器。
以 NCP3155 为例，这是安森美半导体新推出 的一款 DC-DC 同步降压稳压器，包含NCP3155A 和 NCP3155B 两个版本。NCP3155 包含全集成电源开关(48 mΩ 高端 FET 及18 mΩ 低端 FET)，提供完整的故障保护特性(输入欠压锁定、输出过压保护及输出欠压保护、限流及短路保护)。这器件的输入电压范围为 4.7 至 24 V，输出电压可调节。NCP3155支持较高的工作频率(A 版本为 500 kHz，B 版本为 1 MHz)，能够使用较小的滤波器组件，从而减小占用的电路板空间及物料单(BOM)成本。NCP3155 采用 SOIC-8 封装，典型应用电路图参见图 3。
图 3：NCP3155A 典型应用电路图。
NCP3063 及 NCP3064 是 1.5 A 升压、降压及反转开关稳压器，包含内置温度补偿参考、比较器、占空比受控振荡器及有源限流电路、驱动器及大电流开关。这系列器件的设计专门针对升压、降压 及电压反转应用，所需外部组件极少。这系列器件的输出开关电流达 1.5 A，也可用作控制器，支持达 5 A 电流。NCP3064 与 NCP3063 不同的是，提供导通/关闭引脚，用于低能耗关闭模式，典型待机电流消耗仅为 100 μA。
LM2594、LM2595 和 LM2596 分别是 0.5 A、1.0 A 及 3 A 降压开关稳压器。与常见的三端线性稳压器相比，这系列器件的能效要高得多，特别是在较高输入电压的条件下。这系列器件采用 150 kHz 开关频率工作，能够使用尺寸更小的滤波组件。其它特性包括：特定输入电压及输出负载条件下确保提供±4%的输出电压容限、振荡器频率精度达±15%、支持 外部关闭(LM2594 和 LM2595 待机电流典型值为 50μA，LM2596 为 80 μA)、输出开关逐周期限流及故障条件下热关闭等。
NCP3020/11、NCP1034 均为同步降压 PWM 控制器。其中，NCP3021/11 支持 4.7 至 28 V 的输入电压范围，提供启用(EN)/功率良好(PG)/同步(SYNC)引脚，以及 300/400/600 kHz的开关频率。保护特性包括无损耗限流、短路保护、输出过压保护、输出欠压保护及输入欠压锁定。
NCP1034 与 NCP3020/11 不同，能够接受高达 100 V 的输入电压，并提供 50 kHz 至 500 kHz 的可调节开关频率，具备 2 A 输出电流能力，提供用户可编程输入欠压锁定及断续(hiccup)限流等保护特性。
提供不同电流电平的线性 LDO 稳压器
半导体厂商同样提供不同电流电平的线性低压降稳压器，方便用户的选择。这些 LDO 稳压器包括 LP2951、NCP4640/1、NCP562 及 NCP4588 等。
其中，LP2951 是 100 mA 多功能 LDO 线性稳压器，特别设计用于输入与输出电压差极低的稳压应用。这器件提供 75 μA 的极低静态偏置电流，并提供固定或可调节输出电压(输出电压可在 1.25 V 至 29 V 之间设定)。NCP4640 和 NCP4641 则是 50/150 mA 线性稳压器，支持 4 至 36 V 输入电压并可承受 50 V 电压。NCP562 是 80 mA 超低静态电流 LDO 稳压器，静态电流低至 2.5 μA。NCP4588 则是 200 mA 输出 LDO 线性稳压器，典型静态电流小于 9.5 μA，待机电流为 0.1 μA，压降低至 270 mV，并提供高 70 dB 的电源抑制比(PSSR)。这器件即使在负载电流变化的情况下也可以省去输出电容，在没有输出电容的情况下仍然保持稳定工作。但如果负载变化极大，最好使 用 0.1 μF 至 10 μF 的输出电容。
图 4：NCP4588 在省去输出电容的情况下仍能保持稳定工作。
应用于智能电表的其它解决方案
如上所述，半导体厂商为智能电表应用提供丰富的解决方案，除了上述电源及电源管理方案，还包括电力线载波(PLC)调制解调器，以及丰富的存储器(EEPROM 及 SRAM)、时钟、接口、保护/滤波产品等，构成我们应用于智能电表的完整解决方案。
例如，安森美半导体推出了支持 2.4 kb的更高半双工可调节通信速率、符合IEC61334-5-1标的AMIS-49587高集成度低功率PLC调制解调器方案，以及能驱动高达 2 A电流的高能效的A/B类低失真线路驱动器——NCS5650，能够很好地配合智能电表PLC调制解调器及线路驱动应用。
图 5：应用于智能电表通信模块的 PLC 调制解调器及线路驱动器方案。
为智能电表选择适合的PLC调制解调器
如何为智能电表选择适合的PLC调制解调器方案?
近年来，在绿色节能意识的推动下，以智能电表为核心的智能电网成为欧美日中等诸多国家竞相发展的一个重点领域。如欧盟委员会强制要求2022年前所有欧盟成员国的电表都替换为智能仪表。美国也计划在每个家庭都安装智能仪表。中国也在2009年5月开始提出构建坚强智能电网的构想，准备投资高达4万亿元，计划经历当前的试点和2011年开始的全面建设等阶段后，到2020年基本实现构想。在此推动下，电网技术面临着一场重要的革命，而不只是简单的技术演进。
表1：传统电网与新的智能电网之间的简单对比
在智能电网中，智能电表发挥关键的作用，可以使用户与电力系统之间实现互动。如一方面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价;另一方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。从功能模块来看，智能电表除了电源和计量模块外，还涉及到数据存储功能，需采用安全可靠的存储器;此外，双向实时通信是智能电网的重要特征，故通信模块至关重要，需要选择适合的通信方式及相应的最佳解决方案。
实际上，智能电网是一个庞大系统，涉及电力、通信及应用等多个层次，以及局域网(LAN)和广域网(WAN)等不同网络类型。其中，LAN连接家庭或建筑物内的不同类型的智能电表到数据集中器(concentrator)。就这一段的网络连接而言，通常它们对通信速率的要求不高，最主要的考虑因素是降低成本，常见的通信方式有无线射频网络，或有线的电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL )等。具体采用何种通信方式，需要考虑各国电网实际状况等因素，同时先行先试国家的做法也会提供借鉴意义。
图1：法国EDF旗下公司法国配电公司(ERDF)的
例如，在欧洲能源市场有重要影响力的法国电力(Electricité de France， EDF)于2009年中启动了当前世界上最大的智能电表项目
PLC调制技术的选择
虽然PLC技术提供了一种低成本的选择，但电力线的初衷并不是用于通信，故在应用PLC通信时也面临一些挑战。特别是设计人员需要密切注意会出现的信号衰减和噪声问题，反之也要求复杂的收发器技术。
为了抑制由噪声导致的信号衰减，降低误码率，并改善频率效率，有必要利用适合的信号调制技术。实际上，电力机构在部署智能电表抄表系统时，有多种不同的调制方式，但主要的有三种，分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。
OFDM的理论带宽较高，但实际上在低压网络中的噪声条件下会损失很大一部分的带宽，而且OFDM的应用成本较高，工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低，但不是特别可靠，性能会受到相位噪声影响，而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言，虽然S-FSK的数据率比OFDM低，但更胜任智能电表应用。这种调制技术能实现可靠的通信，同时应用成本更低，消耗的电能也更少。因此，就当前的智能电网PLC应用而言，复杂度低、商用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是更适合的选择。
为了抑制由噪声导致的信号衰减，降低误码率，并改善频率效率，有必要利用适合的信号调制技术。实际上，电力机构在部署智能电表抄表系统时，有多种不同的调制方式，但主要的有三种，分别是正交频分复用(OFDM)、相移键控(PSK)和扩频型频移键控(S-FSK)。
OFDM的理论带宽较高，但实际上在低压网络中的噪声条件下会损失很大一部分的带宽，而且OFDM的应用成本较高，工作时还消耗可观的电能。PSK调制技术的应用成本很低，但不是特别可靠，性能会受到相位噪声影响，而且无法充分覆盖较长距离。相比较而言，虽然S-FSK的数据率比OFDM低，但更胜任智能电表应用。这种调制技术能实现可靠的通信，同时应用成本更低，消耗的电能也更少。因此，就当前的智能电网PLC应用而言，复杂度低、商用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是更适合的选择。
安森美半导体PLC调制解调器的应用优势
安森美半导体在开发PLC调制解调器方面拥有较长的历史。速率1.2 kb的AMIS-30585为早前推出，最初开发时就符合IEC 61334标准(SFSK规范)，迄今已历经8年的现场应用检验。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合标准的低功率PLC方案，支持PLC现场部署要求的4种不同模式，如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(电表)和SPY(给测试人员的原始数据)，非常适合智能电表以及智能街灯和智能插座等应用。与AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半双工可调节通信速率速率，符合诸如ERDF规范这样的市场新要求，目前已经获得法国原设备制造商(OEM)的先期使用，在中国也已获得数家领先电表客户的选用。两款器件引脚对引脚兼容，为客户提供了更大的设计便利。
AMIS-49587符合IEC61334-5-1标准，为客户提供众多应用优势。例如，这器件基于ARM7TDMI处理器内核，同时包含物理接口收发器(PHY)和媒体访问控制器(MAC)层，使其以单芯片方案结合了模拟调制解调器前端和数字后处理功能，而大多数竞争方案需要复杂的嵌入式软件来执行与AMIS-49587相同的功能。设计人员使用AMIS-49587调制解调器，可以简化设计，能在不到一个季度的时间内开发出全套互操作PLC方案，还降低开发及应用成本。实际上，基于AMIS-49587的调制解调器方案中仅使用2颗IC(另一颗为NCS5650 2 A PLC线路驱动器)，外加16颗电阻、17颗电容、2个二极管、1个晶体和1个脉冲变压器，总元件数量仅为39个，提供低物料单(BOM)成本。
此外，AMIS-49587采用S-FSK调制技术，结合高分辨率的滤波算法，配以自动可信值/中继器(repeater)功能，提供基于长距离电力线的高可靠性数据通信。通信误差比其它可选及现有方案更低。这器件藉板载低抖动锁相环(PLL)与交流主电源(mains)信号同步。由于包含16位分辨率的模拟前端，使器件具有极优的噪声免疫性和极高的接收灵敏度。
AMIS-49587的易用性也很突出。由于内嵌协议处理功能，使设计人员无需涉及PHY和MAC协定传输细节问题，节省多达50%的软件开发耗费，从而加快上市时间，降低总成本。这器件藉串行接口直接连接至用户主微控制器(MCU)。
AMIS-49587同时兼容于单相和多相电表，满足客户不同需求。此外，其能耗也比基于数字信号处理器(DSP)的方案更低，非常适合智能电表至集中器的PLC通信应用。为了帮助设计人员加快开发进程，安森美半导体还提供*估套件AMIS49587EVK，方便用户开发。这套件内含2个PLC调制解调器，用于在客户端与服务器端之间配置通信;还包含开源图形用户界面，用于配置端到端通信。
安森美半导体为智能电表应用提供完整方案
与普通电表相比，智能电表无疑是更为复杂的系统。而安森美半导体为智能电表应用提供完整的解决方案，除了上述用于通信应用的PLC调制解调器和线路驱动器方案外，还提供用于电源管理、测量和存储等关键功能的解决方案。如在电源管理模块，可以应用安森美半导体的NCP1014、NCP1015等AC-DC转换器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC转换器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低压降(LDO)稳压器，以及NTMFS4823等中压及高压FET。此外，在智能电表应用中，也可采用安森美半导体系列EEPROM、SDRM等存储器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、逻辑、USB保护、监控、I/O扩展、时钟和温度传感器等。
图2：安森美半导体应用于智能电表的解决方案。
在方兴未艾的智能电网应用中，智能电表发挥关键作用。设计人员需要为智能电表与数据集中器之间的通信选择适合的通信方式，而PLC已经成为业界先导公司及先期试验项目的选择，颇具示范及借鉴意义。设计人员需要为PLC通信选择调制解调器方案。安森美半导体用于PLC的调制解调器产品符合标准及客户规范，并提供众多应用优势，如简化设计、降低成本、降低耗电、提供可靠通信及加快上市进程等。安森美半导体更为智能电表应用提供包括电源/电源管理及保护、通信、测量和存储等关键功能的完整解决方案，方便客户的选择，帮助他们降低采购成本及加快产品上市。
基于CAN总线的智能电表集中器的设计
本文设计了一种基于CAN总线的远程电表抄表系统集中器。基于CAN总线的智能电表系统具有造价较低，可靠性高，组网简单，管理方便，操作简捷等优点，并且可以通过扩展和升级硬件，利用有线网络或无线网络通信，把集中器采集到的实时数据发送到售电公司的管理系统中统一管理，通过应用线损分析、远程通断电、防窃电分析等功能达到更高的智能化。
1 集中器的功能及原理分析
一般的智能电表系统由四部分组成：表头，集中器，通讯器，上位机系统。具体如图1所示，其工作原理是通过一体化载波表或安装在电表表尾的电力计量传感系统模块经CAN总线组网，集中器按设定好的时间段接收数据并保存到内部flash中，当上位机发来读数据的信号后上位机通过RS232或RS485读数，读到的数据通过网络传送到用电管理中心。
在远程抄表表系统中，集中器是一个重要组成部分。
集中器通过CAN总线控制并读取表头的数据，数据存储在集中器的flash中。集中器执行从上位机发送的控制命令：
对时、读flash、读表数、限电、增加表头地址等。
集中器通过CAN控制器发送读表命令信号到总线上，每个表头根据读表命令将采集的信号通过CAN总线发送到集中器。集中器将采集的信号存储在flash芯片中。上位机通过串口发送读数据信号到集中器，集中器就把存储在flash中的数据传送给上位机。
2 集中器硬件设计
主控芯片采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103Tx，该系列单片机是ARM的CortexTM-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。具有运行速度快(系统时钟频率最高可达72MHz)26个复用GPIO;64KB片上RAM;2个12位模数转换器，1μs转换时间(多达16个输入通道);3个SPI，5个USARTs，2个IIC接口;片上256KBFLASH;2个看门狗，11个定时器;芯片具有独立的实时时钟，能够相关资料丰富，提供单片机使用库函数，用C语言编程十分方便，易于开发。
由于智能电表控制器需要很准确的实时性，以方便售电公司收取用电费用。因为主控芯片自带实时时钟，所以只需要外接独立的32.768kHz的晶体。实时时钟既可以通过寄存器设置年月日及具体时间，同时还有闹钟功能，定时中断进行指定操作。
智能电表集中器的硬件部分结构如图1所示，主要有ARM，Flash，时钟芯片，接口电路，RS232，RS485，电源等组成。ARM作为控制芯片，有标准设计;ARM接口电路比较简单，以下重点讨论CAN总线接口和Flash接口设计。
图1智能电表抄表系统结构框图
2.1 CAN总线接口电路设计
因为系统对信号传输过程中的稳定性和抗干扰能力要求很高，所以CAN接口采用高标准接口电路。电路图如图2所示。
图2 CAN接口硬件电路图
CAN-bus接口电路采用+3.3V供电，选择CTM8251A隔离CAN收发器。该芯片是3.3V工业级的隔离CAN收发器。CTD0信号连接主控芯片的CAN控制器的发送脚，CRD0信号连接CAN控制器的接收脚。CTM隔离CAN收发器内有一完整的CAN-bus隔离收发器电路，可以将来自CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线信号，并具有DC2500V隔离功能。另外，CTM收发器可以选择集成ESD保护功能的“T”系列，从而省略外扩的ESD保护器件。共模扼流圈T1起着EMI增强的功能，用于提高设备的EMI能力;共模扼流圈T1的电感参数很重要，选择CAN-bus专用器件，比如EPCOS的B82793扼流圈。
2.2 Flash接口电路设计
集中器需要对与之相连的每个电表表头采集数据，所以数据量较大，从而对存储有着较高的要求，故选用ST的M25P64-VMF6TP。该芯片为64M串行接口闪存，增强数据传输时钟速率为50MHz;读的吞吐量为50Mbps;接口为简单的4线SPI(串行外围设备接口)接口;深度降功耗模式间断功耗，电流消耗仅为1uA。
M25P64Flash芯片，通过SPI总线与ARM相连。SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，一般使用4条线：串行时钟线(SCL)、主机输入/从机输出数据线MISO(SDO)、主机输出/从机输入数据线MOSI(SDI)和低电平有效的从机选择线CS。SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或多个从设备。
图3为ARM与Flash的连接电路图。以下几点说明：(1)SCL串行时钟信号，由主设备产生;(2)SDO主设备数据输出，从设备数据输入;(3)SDI主设备数据输入，从设备数据输出;(4)CS为片选，从设备使能信号，由主设备控制。(5)对7、15、16角外接上拉电阻，提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。
图3Flash接口硬件电路图
3 集中器软件设计
集中器系统采用数序程序设计，按功能模块设计程序，由主程序调用各个功能模块程序实现各个相应功能，各个功能模块通过调用底层函数完成相应的操作。具体流程见图4，启动后，开始初始化系统。系统进入等待命令模式，如果有上位机操作命令或有定时中断发生则进入对时程序，对时如果超出一定时间还未成功则向上位机报警。
对时成功后，集中器继续等待上位机的读数命令或等待中断读数命令。当收到读数的命令后，定时读数使集中器按设置的时间，自动读取表头采集来的数据;读数使集中器读取当前表头的数据。
图4系统软件流程图
集中器通过CAN总线可以挂载最多100个表头，集中器发出CAN总线设备的ID。每个分系统表接收到对应的ID号后，根据系统发出的读表头命令来反馈数据。如果CAN通讯有故障，CAN控制器通讯将报故障。如系统回路正常，集中器的发送命令数据包。每帧CAN数据包含8字节，因为每次读数的数据流量不是很大，所以每次通讯只需要使用一帧CAN数据即可，表头ID使用帧ID来识别，每个表头对应独立的帧ID。
集中器发送CAN数据命令包到CAN总线，表头根据各自的ID选择接收读表命令后发送应答数据到CAN总线上。
集中器将接收到的应答数据提取出电表读数存储在flash中。CAN数据收发工作流程如图5所示。
图5数据收发流程图
智能电表集中器是远程抄表管理系统的重要组成部分，集中器工作的稳定性直接影响到了整个系统的效率。
本文分析了主要外围接口电路，根据CAN总线的数据帧格式对收发数据流程进行了介绍。本设计作为智能电表抄表系统的一部分，目前成功应用于某些远程抄表系统中，由于成本适中、性能稳定，取得了较好的经济效益，具有很好的推广前景，同时经过简单的修改就可以开发出其他的远程抄表系统，如燃气远程抄表系统等。
分析几项智能电表设计中遇到的挑战
采用智能电表让企业和工程师有更多机会设计出符合不断演进的全球标准的计量解决方案，这些解决方案能够满足未来需求，并将成为大众解决方案的一部分，即低成本解决方案。然而，要设计出成功的计量解决方案，还需要克服许多难题。
很多时候，开发计量芯片的设计人员甚至没有意识到计量解决方案所面对的挑战和需求。在这种情况下，设计人员很容易出现设计问题，使产品因为小的设计缺陷而无法用于最终解决方案。
1 精确度
精确度是计量应用获得成功的关键，因为服务提供商绝不会采用无法准确测量的仪表。精确度对于电表应用来说尤为重要，因为与天然气/水流量表模型相比，电表更加依赖模拟片上组件。通常，电表使用片上ADC测量电流和电压的电平(因为片外ADC会增加最终解决方案的价格)。另一方面，燃气流量计使用片外传感器感应气体流的速度。
这些传感器能够以一系列脉冲的形式提供数字输出，这些输出与流速成正比。由于这些传感器一般都采用数字接口，因此整体精度对SoC的依赖性较低，更多地依赖于外部传感器。
另一方面，对于电能计量，精确度取决于两个方面：输电线如何与仪表相接(使用变压器、传感器、Rogowski线圈等)以及片上AFE(模拟前端)对电压和电流的测量精度。
因此，对于燃气/水流量表来说，精度在很大程度上取决于所连接的传感器的精度。对于电表，精度取决于两个因素：SoC的AFE以及SoC的片外模拟接口。下面我们将逐个进行讨论。
模拟前端(AFE)从客户的角度来说，AFE的精度是最重要的因素。通常情况下，ADC的结果决定SoC的可扩展性。
模拟系统的精度主要取决于ADC的选择。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是计量应用中最常用的，这两种ADC都有其各自的优缺点。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用过采样技术对输入进行采样，并执行转换。SAR ADC非常适用于功率敏感型应用。
然而，它们可能不适合在非常嘈杂的环境中使用。因此，根据ADC的性能和用例环境，可以在ADC输入端使用低通滤波器过滤噪声。同时，与Σ-Δ ADC相比，它们还具有较低的稳定时间-稳定ADC以给出准确转换值所需的时间。
因此，SAR ADC更加适用于需要快速切换输入通道的应用，快速切换通道会导致快速改变输入电平。Σ-Δ ADC需要高频率时钟，从而缩短稳定时间。因此，这会提高解决方案的最终成本并增加功耗。
负载线接口能耗计算需要在电流和电压值之间执行多次乘法和加法运算。确定输入负载电压很容易;然而，确定电流消耗的确有些困难。
家庭/工业/建筑物消耗的总电流不能馈送到芯片。然而，可以确定一个比例值(电流或电压)并馈送到AFE，然后使用ADC进行测量。
电流和电压测量的比例因子是不变的，因此可以进行适当的计算。这种“电流测量”过程的一个限制是需要有能够直接测量电流的低成本ADC。
另一种选择是使用已知的负载电阻将该电流转换成相应的电压，然后通过ADC测量该电压，它对应于实际的电流消耗。这为电流测量提供了更可行的低成本解决方案，并且有各种技术可用于电流测量。一些使用最广泛的技术包括-分流电阻器、Rogowski线圈、电流互感器。
分流电阻器技术使用放置在负载电流线路上的小(分流)电阻器。当负载电流通过该电阻时，会形成一个小的电压降。这个电压降作为输入馈送到AFE中，后者可以测量相应的电流消耗。
电流互感器(CT)方法与普通变压器的工作方式相同，负载电流(已消耗电流)磁通在二级CT线圈中生成少量电流，然后将电流通过负载电阻器，将其转换成相应的电压，然后再馈送到MCU的AFE。
Rogowski线圈是另一种测量电流的方法(见图1)。这类线圈对于变化较大的电流也有不错的测量效果。然而，它们以时间差分形式提供输出。这就是需要一个积分器获得相应电流值的原因。
图1：Rogowski线圈结构
对比上述三种方式，分流电阻器技术是最便宜的;然而，该技术很难满足高电流测量要求，并且存在DC偏移的问题。电流互感器(CT)能够比分流电阻器技术测量更多的电流，然而，它们本身也存在问题：它们的成本更高，存在饱和、滞后和DC/高电流饱和等问题。
第三种Rogowski线圈法的测量范围比CT小，对大电流范围表现出较好的线性特性，也不存在饱和、滞后或DC/高电流饱和问题。
然而，它的成本只比分流电阻器略微高一点。考虑到电流变化和消耗类型，分流电阻器技术主要用于消费/住宅应用，Rogowski线圈在工业应用中的使用更广泛。
2 电流消耗
SoC的电流消耗是影响应用/解决方案的电池寿命的主要因素。因此，在电池供电模式下运行的应用要求SoC具有非常低的电流消耗。燃气计/流量计不与电源直接连接。
因此，它们只能由电池进行供电。因此，与电表相比，这些应用对电流更加敏感。这一特性非常重要，因为计量表的平均使用寿命约为15年，客户当然不希望每隔几年就更换电池。
因此，与电表相比，燃气/流量计应用对这些限制更加敏感。在典型燃气/流量计解决方案中，仪表大多数时间都保持在低能耗状态。它将定期隔唤醒以计算能量消耗，存储数值，并可能重置脉冲计数器等。
另外，燃气/水/热量的消耗模式不同于电能，因为它们不像电那样无时无刻不在使用。因此，内核不必总是处于通电状态。“低功率模式电流”将扮演重要的角色。许多公司认为低功耗模式电流的范围是1.1μA-2μA(休眠模式待机电流)。
另一个关注领域是SoC的启动时间及相关的电流消耗。由于应用要求仪表必须定期唤醒，因此启动时间和启动电流将非常关键。因此，此类SoC中使用的内核比处理速度等其它因素更加重要。
3 安全、防护和检测
安全性、篡改保护和检测性能主要取决于最终应用的复杂性。满足这项要求可以很简单，只需要能够检测到是否有人试图打开仪表盖，或是否非法访问SoC并更改计费软件。
但是，也可能会非常复杂，要让连接以太网的仪表能够防止黑客攻击或保护仪表中的用户数据，这是GPRS/CDMA/ZigBee网络解决方案的一部分。这些要求存在很大的差异，因为计量能够或应该能够支持不同类型的解决方案。
对于独立解决方案，仪表不属于基于网络的计量解决方案的一部分，抄表和计费都是手动进行的，对安全性、防护和检测的要求会很低，因为攻击单个仪表不会影响其它仪表。因此，服务提供商可能会选择前面提到的比较简单的检测方案。
在仪表窗口和仪表盖之间形成一个电流路径便可以检测仪表盖是否被打开。只要有人试图打开仪表，该电流会被中断，对于篡改电表的操作也是如此。
使用密码保护SoC内部寄存器可以防止有人未经授权对SoC进行重新编程。除非有正确的密码，否则无法重新编程，任何此类失败的尝试都会显示为篡改企图。
对于基于网络的解决方案，仅仅通过检测或简单的密码保护不能解决安全问题。需要更加严格的保护，因为仪表是网络的一部分，如果一个节点(仪表)受到黑客攻击，那么整个网络都会暴露给黑客攻击。
在这些情况下，安全性分为软件和硬件层，这两个层又进一步划分为多个层。为了解决这些问题，行业制定了EN13757、HomePlug、ISA100.11a、ANSI/EIA/CEA-709.1-B-2000和EN14908等许多协议。
计量*的兴起很大程度上取决于智能电表所支持的通信模式的发展。这类通信对安全性提出了很高的要求。因为在所有通信模式当中，这类通信模式会使仪表/仪表网络最容易遭受黑客攻击。
以基于智能卡的预付费计量为例。这种解决方案使用SPI(串行外设接口)在智能卡和仪表MCU之间传输数据。智能卡将数额存储在其内部存储器中，插入仪表后，仪表会根据消耗量不断扣除数额。
简单的攻击行为可能是对智能卡进行重新编程或复制。在这种情况下，防止此类篡改的一种方法是对存储在智能卡里的数据(如真实性数据和数额)进行加密。仪表首先解密这些数据，然后再进行处理。
在智能卡上写回数据时，会遵循同样的加密流程。这样，只要加密算法和加密密钥没有被暴露，仪表就会受到保护。事实上，无论采用哪种通信方式，几乎所有的计量解决方案都使用加密功能，以保证安全性不会受到损害。
加密的类型和复杂性主要取决于所使用的通信协议类型。GPS/GPRS/CDMA、以太网等通信协议需要更加复杂的加密。因此，还采用了特殊硬件以降低软件依赖性，同时，通过减少内核开销增强了芯片性能。
4 即时软件更新
由于更换仪表涉及高昂费用，因此服务提供商希望仪表的使用时间能够超过十年，甚至多达15年。因此，设计人员在设计SoC时应该使其硬件能够满足未来需求，如：收费方案变更、分时段计量、夏令时变更等，而不必更换仪表，也不会中断为消费者提供的服务。
这向设计人员提出了两个挑战：一个挑战是SoC如何在仪表工作时进行软件升级，第二个挑战是无缝切换到新固件，同时这种变化不会导致服务中断。
第一步是确保在不需要切断电源或关掉仪表的情况下将补丁从外部源转移到SoC。第二步是在不关闭系统的情况下启动该补丁，使新固件可以生效。
但是，取决于SoC的复杂性和智能程度，将数据从外部加载器传输到SoC的方式与SoC之间的传输是不同的。基本的电表SoC可能没有GPRS或以太网等高级外设。
在这种情况下，简单的外设，如：SCI、SPI或I2C，可用来将数据(补丁)从外部源传输到SoC。然而，这会涉及内核，因为内核需要读取外设的数据寄存器，然后执行闪存写入操作。
通过采用能够直接连接存储器和外部世界的外设，可以最大程度地降低这项要求。这样，内核能够在将新软件加载到存储器的同时执行其它任务。可以使用DMA轻松地将数据传输到存储器，不需要内核介入。
然而，上面讨论的所有方法都面临一个重大挑战：更新流程基本上是手动完成的，人们需要手动连接固件加载器和SPI、SCI或USB。这会增加固件更新的费用。
使用ZigBee收发器、GPRS/GSM/CDMA、以太网、PLC等高级通信方式可以更高效地进行固件更新。如果使用ZigBee收发器，通过手持设备就能够建立与仪表的无线连接，确定其真实性，然后进行数据传输。这不会完全消除人工操作，但是通过加速整个操作过程，大大减少了手动操作。
其它模式，如：以太网、GPRS/GSM/CDMA、PLC等不需要任何人工介入。服务提供商的中央服务器会根据指令将软件代码传输到SoC，也会根据该指令建立网络。对SoC进行编程，使其把接收到的数据保存在内部存储器，然后软件重置会发起软件更新流程。
该问题涉及的另一部分是，要在不关闭系统的情况下从内核执行代码。该架构可以支持启动选项编程，可对SoC进行编程，从而在下一个低功率或软件生成的重置时从另一个指定位置启动。还可以使该架构选择从RAM启动，以便新代码可以保存到RAM，然后在下一次重置/低功率模式恢复时，系统可以从RAM启动，而不是从闪存启动，然后新的更新将生效。
5 数据处理
随着系统/解决方案推出越来越多的功能，仪表需要控制的任务和处理的数据也大幅增加。因此，根据应用和SoC内核的负载，设计人员可能决定迁移到32位内核或者采用强大的DSP内核，使应用(通信等)和计量部件不会互相影响。
通过在SoC中采用额外硬件，还可以分担内核的计算工作量，额外的硬件只负责各种计算工作，因为计量应用是高度计算密集型的应用。
数据汇集器和计量网关受系统数据处理能力的影响最大，因为它们需要处理大量数据。同时，它们需要支持用户接口，进一步增加了相关的数据处理复杂性和相应的要求。因此，未来可能会推出多核SoC以支持庞大的网络。
6 更快速、更可靠的通信
测量消耗量只是问题的一部分(见图2)。迄今为止，全球的大多数仪表都需要手动抄表。这是因为传统仪表无法支持联网解决方案。这种手动抄表不仅增加了运营成本，还容易引入人为错误。
因此，对于有效的解决方案，仪表还应提供支持联网解决方案的能力，并能将数据传输到仪表网络，以便实现自动抄表。电表抄表传输的一个主要问题是存在电噪声。
图2：解决方案的各种仪表联网选项简图
因此，通信模式应能够承受噪声而不破坏数据。因此，仪表应能够以支持错误检测和清除的格式生成输出，即使数据由于噪声而失真，也能够从接收数据包恢复。同时，所有此类加密都增加了要传输的数据的大小。
因此，数据传输速度也很重要。目前，有多种数据传输模式。其中最常见的包括GPRS、以太网、电力线通信、ZigBee、红外线收发器等。
通信模式将根据最终应用进行选择，如ZigBee/IR(红外线)收发器可能更适用于仪表与基站进行无线交互以传输数据的仪表网络，基站把从许多仪表(复杂情况下为100米)收集到的数据发送到使用有线通信的中心站。更多信息详见“新时代智能电表架构”。
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