基于SoC电表计量芯片设计的电表系统详解

由于生活水平的提升，用电需求增加，对电力的应用也更加多元化，加上各国政府大力倡导智能电网，因此电表数字化势在必行。但仅将电表数字化已经不能满足现在与未来的需求。增加通讯接口以便于自动读表（AMR），需求预估与管理控制、费率更新与分时电价的先进电网架构（AMI），以及用于未来电网自我诊断修复的智能电网架构（Smart Grid），都在显示未来电表新功能的需求与复杂度的增加。

现有数字电表的设计多以单片机搭配专用计量芯片为主。其优点是单片机与计量芯片的选择多，没有供货的问题。但由于计量芯片其计量功能都已固定无法更改，如果有需要则须将计量芯片的电力数据回传至单片机上，再通过单片机加以处理。但这种方式会造成时序上的延迟，因此无法及时反映实时的电力状况。再加上周边接口控制的复杂度，其单片机负荷与软件编写上有一定的复杂度。

目前已有很多芯片制造商推出的SoC的计量芯片，虽然规格上略有不同，但都是将电表目前所使用的功能集成于单一芯片中，如计量取样、单片机、液晶屏幕控制接口、实时时钟（RTC）、GPIO与通讯接口等。可通过单片机和内部的寄存器设定，简单快速地控制所有的外围功能模块，而无需再通过复杂的GPIO、SPI或I2C接口来控制计量芯片、RTC 芯片与液晶驱动芯片等。这样可以降低电表软件开发的复杂度，降低单片机内存的需求，并提升整体系统的稳定性。

用SoC计量单芯片所设计的电表系统，可大幅降低电表的零件成本与系统设计的复杂度以及功耗，并提升整体的稳定性与电表精度。较少的零件，可降低零件备货的复杂度、使系统设计单纯化并加速更新设计的速度、更简易的除错与硬件开发、降低芯片与芯片间的相互干扰，提升系统的稳定度、使软件开发的复杂程度降低等。可见其优点与传统设计有大幅不同。

现在对传统多芯片的设计方式与SoC设计方式进行对比。图1为飞思卡尔针对中国国家电网电表系统所提出的系统架构图，在系统架构图中，需要有一块CS5463的计量芯片、9S08MZ60单片机、RTC芯片、LCD驱动芯片以及ESAM 与 EEPROM 芯片等。由总数六个以上的独立芯片构成电表系统。

图2是以 Prolific PM8443所构成的中国国家电网电表系统。在该电表系统中，PM8443集成了计量芯片、8051单片机、实时时钟与液晶屏幕驱动芯片。该架构大幅降低芯片的使用个数，由六个芯片降低为三个（PM8443、EEPROM与ESAM），这三个芯片为无法相互整合的芯片。与先前的系统比较起来，使用SoC芯片电表系统更简洁，更容易开发并有效地降低了成本。

Prolific PM8443芯片架构中采用的是双核架构，可编程的计量DSP与高效能8051单片机。DSP与单片机采用独立运作模式，互相不干扰。单片机可将其全部的计算效能用于程序与外围接口的控制上。此外，PM8443 8051单片机拥有额外的32位数学运算加速器，若单片机要计算更为复杂的电力参数，可通过该数学运算加速器加速单片机的计算效率。可编程DSP与一般固定功能的计量芯片不同，可根据不同的应用需求调整DSP的软件内容。

使用单一SoC芯片，可应用于不同的电表设计上，降低零件备料数目与库存管理。PM8443 DSP还可提供实时的电源保护功能，包括针对过压、过流、短路、漏电、过温等的实时电源保护机制，能够实时反应电力使用状况，保护不延迟。可用于预付费电表与电动车充电电表上，让电表的设计更有别于一般的电表系统。最后，PM8443具备四个独立的电压电流采样信道，电池电压、外部温度采样信道，完整的外围接口及强大的内存空间，并提供给电表设计开发者一个方便与友好的设计环境，使电表的开发更简便、快速。