【应用】世强微功率智能抄表系统方案 小而精为环保节能做贡献
自2009年中国电科院起草宣贯智能电能表技术规范--实现统一规范、统一检测、统一招标--开始，全国的电能表格局发生了巨大改变。为了紧跟时代的步伐，连贯南北之仪器仪表技术，4月11日-13日"2017第三十四届中国电工仪器仪表产业发展技术研讨会"在杭州太虚湖假日酒店隆重举办。大会汇聚了当今我国电工仪器仪表行业先进的技术与研发成果。
智能抄表系统作为全国电能表格局中一个重要环节，是影响着全局的重要因素，是利用当代微机技术、数字通讯技术与计量技术的完美结合，集能耗计量、数据采集、数据处理于一体。智能抄表系统主要由管理中心计算机（主站）、采集器和户机（直读远传表、燃气泄漏报警器、电动阀）终端三级网络组成，中间环节少，大大提高了系统的稳定性。在本次展会上世强也带来了最新最全的智能抄表优选器件方案。该方案具有高可靠性，节能环保，设计简单等特点，且支持微功率无线抄表、RS485总线抄表、PLC电力载波抄表、红外通信等，是世强凭借在半导体行业摸爬滚打的多年经验并结合国内外一众知名厂商的先进技术产品打造出来的。
集低功耗与丰富通信接口资源于一身的掌大局者
纵观整个智能抄表系统，又可分为运算处理单元、通信单元、电源管理单元、时钟单元、存储单元、端口保护单元以及人机界面HMI。如果说智能抄表是全国电能表的重要环节，那么运算处理单元则是智能抄表重要环节中的重要，素有智能抄表"心脏"之称，其性能的好坏将最直接影响整个智能抄表系统功能的实现。运算处理单元最重要的器件是作为主控单元的微控制器（MCU）。在世强推出的智能抄表优选器件方案中，推荐使用的是来自全球首屈一指的微控制器供应商RENESAS推出的16位超低功耗MCU产品R7F0C901。
作为一款超低功耗MCU，R7F0C901的运行功耗仅为66uA/MHz，最低功耗甚至低至0.23uA（STOP模式，RAM保留）。我们知道，智能抄表作为一款功能型的，尤其是与人们生活密切相关的产品，使用寿命的长短是影响人们消费的最直接因素。世强在该方案采用超低功耗的R7F0C901，一方面是出于环保节能的考虑；另一方面则是藉由其低功耗来达到延长智能抄表使用寿命。
作为一款智能的抄表系统，自动化程度高，需要将千家万户的用量与管理部门的电脑网络中心联成一体，因此通信也是非常重要的环节。R7F0C901具有丰富的通信接口资源，可以实现多达3个简易I2C，3个CSI，3个UART，简化系统设计，可同时满足PLC抄表，Sub-GHz微功率抄表，RS485总线抄表，红外通信设计需求。这是世强推荐采用该MCU的另一个理由。
此外，R7F0C901采用RL78内核，整体成3段流水线的CISC哈佛体系结构，86%的指令可在1~2个时钟周期内完成。该MCU采用32引脚的HWQFN封装（5x5mm），具有48KB片上可编程闪存，支持BGO操作，在进行数据改写过程中无需CPU等待，相比于传统EEPROM方式具有更高的执行效率。R7F0C901内部集成的高速振荡器精度高达±1%，最高频率32MHz，让设计中无需使用片外时钟晶振，更具成本和设计面积的优势。同时，其安全功能符合IEC或UL60730标准要求，支持RAM奇偶校验、A/D转换器自我诊断、时钟监控以及存储CRC计算，为抄表系统可靠性提供全面保证。
一人一笔一本手抄时代已过时，无线通信才是大势
随着技术的飞速发展，"一人、一笔、一本"的传统抄表收费模式已过时，中国目前最为领先的无线通信式智能抄表才是大势所趋。无线智能抄表通过组网的方式从根本上解决目前用水、用电、用气管理的自动化程度低，中间环节多，缴费不及时等问题。目前主流的无线抄表通信技术主要有ZigBee、GPRS、低频无线自组网，其中低频无线自组网技术极具性价比优势，被纳入了国家电网标准型自组网无线抄表系统。
上文也提到通信功能是智能抄表自动化实现的重要关键，因此一款高性能的无线芯片是必不可少的。抄表系统的功耗主要是来自主控单元和无线通信单元，故通信接收芯片的功耗也是影响设计工程师选择的主要因素。目前市场上的低频无线接收芯片枚不胜举，性能功耗各异，很多产品一旦保证了性能功耗则直线上升，保证了功耗其性能又得不到保障，所以能够兼具高性能和低功耗于一身的Sub-GHz无线收发器往往出类拔萃，深受工程师们的喜爱。在世强推出的智能抄表方案中，推荐采用的是SILICON LABS的Sub-GHz无线收发器Si4438。该款无线芯片性价比高，具有高达-124dbm接收灵敏度，和+20dbm发射功率。而其更是一款具有超低功耗的无线收发器，其发射电流75mA@20dbm，接收电流仅为3mA。Si4438采用的是QFN20封装，大小仅有4*4mm，堪称同类最小，在空间极为有限的抄表系统中，除了性能和功耗优势外，这也不失为其又一大优势。
世强的技术人员表示，Silicon Labs的另一款兼具高性能和低功耗的Sub-GHz无线收发SOC产品EFR32FG，也是目前工程师们热衷选择的产品之一。与同类产品LoRA在传输速率1.5kbps时-128dBm的TCXO灵敏度相比，EFR32FG在1kbps时灵敏度已高达-130dBm。同时，EFR32FG可以快速实现物联网设备上节能的专有协议连网设计，而且同步支持Sub-GHz和2.4GHz双波段，可实现更远距离的传输，并通过相关预认证，为工程师带来许多设计灵活性。
应用ZigBee无线通信技术与GPRS网络技术，也是实现远程无线抄表的另一选择。Silicon Labs无线SoC EFR32MG Mighty Gecko，整合了节能型MCU与高集成度无线电收发器，支持Thread、ZigBee、Bluetooth Smart及专用短程无线通信协议；拥有行业领先的能源效率和性能无损的MCU特性。同系列的EFR32BG Blue Gecko，则整合了节能型MCU和支持智能蓝牙的高集成度射频收发器，内置平衡转换器和功能强大的MCU，具备超快唤醒时间和可升级功放，以及行业领先的能源效率。
把关抄表的每分每秒，金钱和安全同样重要
时钟单元作为抄表的脉搏，多数处理器的内核往往需要在其驱动下完成指令执行。其常用的信号源有晶体振荡器和RC振荡器。世强的技术人员表示，在抄表方案建议采用著名晶振品牌商EPSON的RTC产品--RX-8025T。该RTC芯片是智能四表领域中最常用的模块之一，带有高速I2C接口，1.7V-5.5V的宽电压范围，支持如振荡停止检测等多种检测功能。其具备32.768KHZ频率输出，并带时刻，日历，中断等功能。RX-8025T具有超低待机电流480nA，在系统掉电后可长期使用纽扣电池供电，保证抄表系统的时钟日历正常计时，从而使系统在抄表时能自动校准系统时间。分时计费是缓解用电高峰电力供应的经济手段，所以能够保证抄表系统的准确无误计时是非常重要的。
在抄表方案的电源管理模块中，世强推荐采用PI公司具备0-30W功率等级的AC-DC电源芯片TinySwitch-4。该芯片是一款内置725V MOSFET的高集成度的光耦反馈AC-DC芯片，设计和布线都非常简单。由于其带迟滞热关断保护，使得抄表在工作过程中更安全可靠。
此外，由于智能抄表系统存在雷击、EMI等安全隐患，在系统中增加各种防护措施也是非常必要的。在强磁干扰方面，世强的抄表方案推荐采用LITTELFUSE功率可达400-3000W的TVS阵列SMAJ/SMBJ/SMCJ/TPSMA/TPSMB/P6SMB进行保护。在过载保护方面，则推荐同品牌的具有各种规格可供选择的PTC产品1812L/2920L/30R/60R。
综上可见，设计出一款完美的智能抄表，器件选型是非常重要的。如果您正在整考虑设计或优化升级智能抄表系统，不妨可以咨询下世强的优选器件方案，说不定还真能找到一些设计或者优化的灵感。世强还提供技术支持，可以缩短您的产品研发时间，争取早日上市抢占先机才能获得商机。
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