本文作者：ST公司 Filippo Colaianni， Oleg Logvinov， Carlo Masseroni， Massimo Panzica
前言
智慧城市概念是高效可持续发展社会的重要支住。今天，全世界大多数人口都居住在城市中心区，而且研发发现，城市人口数量仍在持续增长。城市人口增长是导致CO2 排放量增加的主要原因之一。城市智能化意味着我们需要采用一个以高能效、可持续发展和节能环保为特色且能够提高城市居民的生活品质的城市模型，这是解决全球气候变化难题的新战略。
新兴起的智慧城市模型是由一个各种创新技术构成的生态系统，这些创新技术包括智能路灯、智能电表、智能楼宇、智能停车场和电动汽车（E-Mobility）。需要强调地是，为达到双向信息交换的目的，这些技术必须使用不同类型的通信接口。意法半导体能够提供这些技术所需的全部接口：WiFi、蓝牙、RFSubGhz无线通信和宽带/窄带电力线通信。
在智慧城市背景下，电动汽车，无论是私家车还是公共汽车，在不久的将来将成为增长最快的应用。
插电式电动汽车和智能电网充电应用情景
智能电动汽车是智慧城市中的一个重要角色。可持续发展的城市交通工具要求在智慧城市网络中集成电动汽车充电基础设施。作为一个灵活的智慧城市的系统组成部分，电动汽车须支持主动需求响应方案，帮助把电力需求移至再生能源供给充足时段，并兼作额外的再生能源蓄电池。
在本文中，插电式电动汽车（PEV）指可以使用外部电源充电的以电动汽车 ，插电式电动汽车分为两种：
- 电池电动汽车（BEV）俗称纯电动汽车，所有的动力均由外部电源提供，因此没有传统汽车上的内燃机式发动机。
- 插电式混动汽车（PHEV）：同时搭载常规内燃机动力系统和电力推动系统。
为攻克电动汽车充电控制这一难题，需要在电动汽车（EV）和电动汽车的供电设备（EVSE）之间执行一个通信协议。因此，市场出现了一种通过充电线缆内的控制导频线传输脉宽调制（PWM）信号的信令协议。
- 供电设备检测到插电式电动汽车（PEV）
- 供电设备通知电动汽车供电就绪
- 确定插电式电动汽车的通风要求
- 向插电式电动汽车提供供电设备的电流容量信息
这个技术规范最初出现在2001版的SAE J1772标准内，随后又被IEC 61851标准引用。
图1 J1772 信号电路
根据IEC 61851-1标准，供电设备通过调节PWM占空比向电动汽车发送最大有效充电功率信号，同时电动汽车返回四个改变电压值不同的状态信号，见下图：
图2：IEC 61851利用PWM信号表示电动汽车状态
不过，在实际智能电网应用中，电网兼容性和快速充电管理则需要更多的复杂的数字信号。目前，ISO/IEC 15118 联合工作组技术标准的汽车电网通信接口（V2GCI）对该数字通信有明确的规定。在传导式充电应用领域，电力线通信（PLC）协议是在充电线缆的控制导频线上应用ISO/OSI 第1和第2层技术。
IEEE P1901 （HomePlug AV/GP）是电力线宽带标准（BPL），是电动汽车与充电站和智能电网之间的基于IP的电力线通信标准。HomePlug® Green PHY （GP）规范是电力线通信协议，用于满足智能电网应用的特殊需求，支持汽车与电网之间的通信，同时兼容HomePlug AV产品和IEEE 1901标准。该标准是标准化组织与主要电力企业合作开发的，旨在于大幅降低功耗和成本。
图3：在智慧家居中集成的典型的电动汽车充电系统
HomePlug GP可视为一个简化的低功耗的低数据速率版的HomePlug AV，方便芯片厂商研制易用的高速的Green PHY芯片。该标准的向后兼容性准许设备厂商使用现有的HomePlug AV芯片部署产品原型和早期研发的产品。
在这种情况下，意法半导体的新产品ST2100 STreamPlug系统芯片（SoC）将目标应用锁定世界智能家居和智能电网市场。该产品完全符合V2GI通信要求，支持HomePlug Green PHY技术规范，可实现汽车电网联网和主动需求响应应用。
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ST2100 STreamPlug概述
ST2100 StreamPlug系统芯片集成高性能处理子系统和电力线宽带通信（PLC）功能，以及安全算法加速器和各种标准外设。ST2100支持IEEE 1905.1标准，让客户能够在一个新的网关或集线器设计内整合以太网、Wi-Fi® 等其它网络标准。ST2100 StreamPlug支持广泛使用的PLC通信协议，例如，HomePlug® AV和HomePlug Green PHY，以及IEEE 1901宽带电力线连接标准。
ST2100 STreamPlug系统芯片应用处理器基于330MHz ARM926EJ-S内核，并提供一个外部存储器管理子系统。此外，该系统芯片还集成USB2.0和以太网接口、彩色LCD显示控制器和CRYPTO硬件加密引擎，支持AES、DES/3DES和IPSec等加密算法。
STreamPlug ST2100芯片采用12mm x 12mm TFBGA 373 BGA封装。
从软件角度看，虚拟机支持客体操作系统管理，例如，Linux Kernel 2.6。PLC协议支持功能包括最新的IEEE 1901宽带电力线（BPL）标准，以及广泛使用的HomePlug标准，例如，承载HDTV和VoIP业务的200Mbps HomePlug AV，为智能电网应用优化的HomePlug Green PHY。
这些软硬件架构让STreamPlug ST2100 Smart HomePlug系统芯片成为在智能家居和智能电网中起重要作用的物联网的重要使技术。
ST2100 STreamPlug模块
意法半导体与台湾大同公司在T2100 STreamPlug系统芯片合作开发项目中取得了多项创新成果，例如，大同的 Gateway One网络集线器和其它的智能电能产品。Gateway One让用户能够建设整合以太网、WLAN、PLC和多媒体设备的多业务承载家庭网络，增加机会大幅改进整个家居的能效、安全、舒适性和便利性。大同的Meter Bridge表桥和家庭区域网络（HAN）网桥让多单元住宅受惠于智能能源应用，同时解决用电和电费等难题。下面重点介绍为OEM市场开发的M1i和M3两个模块。这两个模块的开发目的是缩减智能装置开发人员和厂商的研发周期，智能装置为联入电网的设备提供电能管理和网络连接功能。M1i模块是为工业应用专门设计，而M3将目标应用锁定在智能家居和智能楼宇，其中包括插电式电动汽车充电应用。
M1i模块
工业温度范围
模块化方法：
· 小尺寸/面积
· 集成子系统 – 优化电路板布局
· 在模块内完成关键的PLC子系统布局
单片集成应用处理器、模拟前端和HomePlug AV/GP
丰富的接口选择
目标应用范围广泛：
· 物联网和和机对机连接
· 家居/楼宇/工厂自动化
· 能源管理
· 智能LED照明
· 电动汽车和电动汽车供电设备
通过使用扩展排针，该模块还支持下列接口：
· HomePlug AV/GP （PLC）
· 以太网
· USB （host或device）
· FSMC （多功能8位并行接口）
· GPIO （最多24个，支持PWM）
· PGC （支持IR编码）
· SPORT （高速DSP串行接口）
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· TS （视频/图像传感器接口）
· DAI （I2S音频接口，用于音频DAC/ADC转换器）
· SPI （3线和4线串行控制接口）
· UART （2个）
· FIrDA （可选）
· I2C （工业标准2线串行接口）
· CAN （基于汽车总线协议的串行接口 – 2个）
M3模块
M3模块适用于家庭区域网络（HAN）、工业网络和智能网络中的各种电力线通信：
· 物联网和和机对机连接
· 家庭/办公室/工厂/楼宇/城市自动化
· 能源管理
· 智能LED照明控制
· 电动汽车供电设备（EVSE）
· 音频/视频传输和视频监控
· 显示器控制
M3模块是为电力线通信系统专门设计，内置的大容量NAND闪存可存储应用程序和文件系统，通过扩展排针支持各种接口：
· HomePlug AV/GP （PLC）
· 以太网
· USB （host或device）
· FSMC （多功能8位并行接口）
· GPIO （最多24个，支持PWM）
· PGC （支持IR编码）
· SPORT （高速DSP串行接口）
· TS （视频/图像传感器接口）
· DAI （I2S音频接口，用于音频DAC/ADC转换器）
· SPI （3线和4线串行控制接口）
· UART （2个）
· FIrDA （可选）
· I2C （工业标准2线串行接口）
· CAN （基于汽车总线协议的串行接口 – 2个）
M1i和M3固件
STreamPlug软件有三个主要模块：带内核调度器的ST接口层、ST系统软件和Open Kernel Labs开发的基于管理程序（又称虚拟机监控器）的Linux内核。
带内核调度器的ST接口层提供支持系统软件层和系统管理程序所需的必要的API。ST系统软件提供用于实现HomePlugAV/1901/GP MAC的内核软件以及支持模块。Linux内核包括一系列Linux （2.6.35.0）设备驱动程序，可控制STreamPlugSoC上的特定硬件接口和目标应用的硬件平台。使用OKL技术管理Linux客体机操作系统有诸多好处：
· Linux应用程序可在同一个处理器上与旧应用和旧操作系统同时运行。
· 同时支持两个操作系统环境，无需安装多个硬件处理器，不必将旧系统移植到Linux操作系统。
· 通过Secure HyperCell（tm）技术，OKL4原生单元可完善Linux虚拟机（VM）功能，提供更好的执行环境，更好的实时属性和更强的安全性。
· OKL4单元适合管理实时操作系统，简化延迟敏感函数的实现过程，而不会牺牲Linux的丰富的生态系统支持。
这个稳健且灵活的软件平台是一个理想的运行环境，支持第三方专用协议栈和应用程序，处理能力足以运行OpenADR、ISO/IEC 15118、OCCP和其它软件组件，创建一个具有成本效益的紧凑的单片电动汽车供电设备芯片。
结论
意法半导体是理想的合作伙伴，为终端设备厂商提供创新技术，助力客户在智能电网和物联网领域研发创新，优化终端用户的生活体验。
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