關鍵字：智能電表市場 智能芯片 國產MCU 電子實驗室模塊
國家電網在2015年計量工作推進會議上確定，今年的計量工作目標包括安裝智能電表6060萬只，累計用電信息采集3.16億戶，總覆蓋率>80%；整體日均采集率>97.5%。重點工作是加快國網和省級計量中心能力提升，加快電能表和采集系統建設進度，在2015年第一批集中招標采購中，完成全年智能電表和采集終端設備的采購任務，城市范圍24萬臺老舊終端力爭2015年全部完成更換，開展農村地區采集終端的軟件升級完成60%，老舊終端的更換完成50%。此外，還要實施計量全業務全過程的精益化管理、提升智能化水平。
圖1：中國國內市場狀況及發展趨勢
圖2：智能電表出口市場的狀況以及趨勢
圖3：智能電表的儀表測量及通訊發展趨勢
此外，國家也在積極開展技術創新與應用，要求深化智能雙向互動技術研究，創新智能電表雙向互動方式。北京電力利用寬帶電力線載波，實現手機APP與智能電表雙向互動的驗證工作，技術方案是可行的，2015年將深化應用。還要深化研究電能表系統級芯片技術，開展諧波電表與IR46電能表國標建設的應用研究，建立數字化電能計量技術標準和量值溯源體系。
瑞薩：實現PLC類智能電表標準推廣
瑞薩電子（中國）有限公司市場部秦利剛指出，PLC類智能電表在2014全年招標上已經超過了70%的份額，其中，單相表總共招標數量超過8千萬只，三相表招標數量超過7百萬只。瑞薩電子預測從2011年8097.5%到2015年，PLC類智能電表的符合年增長率會達到52%。
圖4：國網智能電表近年招標情況
他繼續表示，不同國家對電表有不同的通訊技術要求，比如無線通訊有要求GPRS、Zigbee、WiFi，而有線有PLC等。現在來看，歐洲或日本等國家的表廠引領著G3-PLC或者PRIME的技術發展，中國目前主流仍是基于FSK/BPSK調制解調方式，不利于部分新功能的實現。盡管瑞薩不能主導中國PLC的標準，但會努力與合作伙伴共建基于OFDM窄帶PLC技術的實現與推廣。
作為PLC全球標準化的重要貢獻者，瑞薩參加了所有PLC聯盟的標準化制定工作，包括G3-PLC、PRIME以及IEEE P1902.1等，G3聯盟更是選擇瑞薩PLC方案作為golden unit來進行認證參考。因此，瑞薩電子基于OFDM調制解調的窄帶PLC解決方案，支持國際通用的G3-PLC以及PRIME等多種標準協議。
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聯盟等各類認證機關認證的軟件，為客戶提供高度靈活性的PLC參考設計板、套件以及相應的開發環境和工具，幫助客戶快速完成設計。UPD809508是瑞薩推出的第二代PLC新品，支持全球不同制式的PLC標準，內置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。此款產品既能協助中國本土客戶實現技術升級，同時也可幫助國內表廠應對不斷擴大的出口訂單需求，特別是對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不同合作伙伴共同建設基于OFDM窄帶PLC技術，包括最新雙模異構等不同需求的PLC技術的建設。
Silicon Labs：低功耗+30年的待機時間
智能計量的主要驅動力在于人類對未來能源和環境狀況的擔憂，對能源使用更智能的管理可減少浪費，緩解人類活動對環境的壓力。Silicon Labs的主打牌便是超低功耗，其授權代理商世強先進科技資深技術工程師齊凌杰介紹說，目前Silicon Labs主推的MCU分別是號稱業內功能集成度最高的8位EFM8 Bee MCU和最低功耗的32位EFM32 Gecko MCU。
 世強先進科技資深技術工程師齊凌杰 |
EFM8 MCU主頻最高50MHz，新型的EFM8 Bee系列產品包括三類高集成度、外設豐富的MCU產品，這些產品為滿足特定開發人員的需求和應用而進行了優化。Bee系列產品命名正強調了EFM8平臺的可擴展的性能、能源效率和高產出率。這些MCU通過了高性價比優勢，包括高速流水線8051內核、超低功耗、精度模擬、增強的通信外設、集成的振蕩器、小尺寸封裝，以及能夠提供靈活的數字和模擬復用、簡化印刷電路板（PCB）設計和I/O引腳路由的先進Crossbar架構。EFM32 Gecko MCU系列具有高達128kB、8–16kB RAM的閃存，以及速度高達32MHz CPU的配置?；贏RM Cortex-M3內核，Gecko系列采用創新低能耗技術，節能模式喚醒時間縮短，可搭配各種外圍設備，是電池驅動應用及其他需要高性能和低功耗系統的理想選擇之一。
智能計量的主要功能除了對能源消耗的測量、控制和對系統的故障的診斷外，還強調了不同系統間的互聯互通，與無線技術緊密結合，是突破嵌入式技術的新興快速增長領域。Silicon Labs的無線產品線成員還包括Sub-GHz收發器系列、Zigbee系統、無線MCU、Bluegiga系列的藍牙和WiFi，專門針對中國快速增長的智能電表市場。
新型Si4438C EZRadioPRO IC設計使無線傳輸距離和電池壽命最大化，同時降低智能電表30%的物料（BOM）成本。該收發器專為425-525MHz ISM頻段設計，發射功率為20dBm，接收功率-124dBm，因此也是室內能源管理系統和其他智能電網基礎設施應用，諸如遠距離回程通信到服務公司應用的理想sub-GHz無線解決方案。此外，其40nA待機電流、極低的發射和接收狀態電流、快速喚醒時間也使得電池使用壽命大大增加。
齊凌杰強調說：“Si4438收發器，可滿足中國智能電表市場對性能、系統成本和規定的要求。以四節AA電池為例，經過計算，EFM32TG840+Si4438的待機時間長達30年，是業內最低功耗的無線抄表方案。”
華虹：國產MCU新晉者
上海華虹集成電路有限責任公司此前作為智能卡與信息安全芯片解決方案供應商為人所熟知，但是從專用MCU走向通用MCU則是一個非常巨大的跨越。今年4月，該公司推出了國產第一款超低功耗MCU，業務發展經理南宮榮介紹了針對計量產品中的應用。
 上海華虹集成電路有限責任公司業務發展經理南宮榮 |
據南宮榮表示，華虹MCU采用了8051核、ARM核、Dolphin及國內自主內核，架構豐富靈活，同時提供超低功耗技術，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對計量的支持還包括無計量芯片、簡單計量芯片和復雜計量芯片三種方式，對顯示產品的支持也覆蓋從液晶顯示到報警式顯示等，支持各種傳輸接口、增強抗干擾性。
“華虹MCU的主要特點是一低一高。是低價格、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的最本質要求。華虹設置多種模式來確保超低電流，同時，低于3μS的芯片從超低功耗模式下喚醒時間，有效降低系統啟動的功耗，系統反應更為敏捷。
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。隨著智能電網規模的擴大，系統復雜程度也在增加，如大量智能表計以及交互后臺的介入，電表網絡的安全問題將會越發突出。特別是當雙向互動越發頻繁后，網絡邊界進一步向用戶側延伸，用戶側的安全危險將越來越突出，端對端的防護就顯得尤為重要。因此，智能表計亟待加強的工作有：一是如何保證終端的安全接入，二是如何防止一些敏感數據的泄露。
華虹的安全基因促使其新推出的MCU將提供128位JTAG密碼授權保護，可以保護芯片內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處理器以及硬件64位真隨機數模塊，每顆芯片還具備唯一8位設備標識號。使用特殊的加密技術不僅可以驗證交互信息的正確性，同時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MCU內部集成了類似于智能電表的ESAM芯片功能，不僅具有數據存儲功能，還具有數據安全保護，復雜密碼運算等功能。
圖5：華虹MCU的主要特點
預計未來，超低功耗MCU的發展將朝著以下方向進行突破：1、采用更先進的工藝線，進一步降低MCU工作功耗，如90nm比180nm的MCU動態功耗下降了60%以上；2、采用創新的功耗管理模塊，讓超低功耗MCU的功耗進一步降低；3、進一步優化MCU自身架構，更好的為智能表計服務；4、集成度更高，將智能表計系統的外設集成入MCU內部；5、集成硬件國密算法，保障系統信息安全性。
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