0 引言

    我國(guó)第一代智能電表，目前已掛裝并運(yùn)行5年多，為我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了重要支撐。然而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)電能表的軟件和硬件要求比較固化，電能表均為一體化設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)硬件或軟件故障，只能采取更換整表的方式來(lái)保障電力計(jì)量工作順利進(jìn)行。并且出于防止篡改電能表程序的安全角度考慮，目前的電能表不允許軟件的在線升級(jí)，因此對(duì)越來(lái)越多的智能應(yīng)用需求形成了限制。為此我國(guó)將在下一代智能電表標(biāo)準(zhǔn)上采用基于IR46(International Recommendation46)標(biāo)準(zhǔn)的雙芯智能電表方案，核心解決的是計(jì)量功能與其他管理類(lèi)功能的分離，支持非計(jì)量部分軟件在線升級(jí)，且非計(jì)量部分的故障和升級(jí)不影響計(jì)量部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 雙芯電能表方案

    目前掛裝的智能電表方案應(yīng)用框圖如圖1所示，可完成電能計(jì)量、數(shù)據(jù)的安全保護(hù)、本地RTC計(jì)時(shí)以及支持電表通信功能，包括485通信、SPI、I²C和紅外等功能^[1-2]。智能電表用到的功能芯片包括一顆主控芯片、一顆RTC芯片、一顆安全芯片、一顆EEPROM和一顆計(jì)量芯片，全部整體設(shè)計(jì)在一塊電表主板上。

    基于IR46的雙芯智能電表標(biāo)準(zhǔn)方案，將電表功能分成計(jì)量芯和功能芯兩個(gè)互不干擾的獨(dú)立部分。計(jì)量芯部分完成的功能包括計(jì)量、電量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RTC計(jì)時(shí)等，計(jì)量芯獨(dú)立運(yùn)行，法制認(rèn)證，不允許軟件升級(jí)。管理芯部分包括智能電卡接口、ESAM、顯示、存儲(chǔ)器、負(fù)控管理和對(duì)外通信等功能。由于計(jì)量芯部分和管理芯部分各自獨(dú)立自成系統(tǒng)，在新的電表方案中，計(jì)量部分和管理部分都會(huì)各自需要一顆MCU主控芯片，兩顆主控完成的功能和核心關(guān)鍵指標(biāo)也會(huì)不同，這是實(shí)現(xiàn)基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯電表方案的關(guān)鍵。

2 計(jì)量芯主控功能和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 計(jì)量芯主控功能和架構(gòu)

    計(jì)量芯部分要完成的功能包括計(jì)時(shí)、電能計(jì)量、電能和時(shí)間的存儲(chǔ)以及與管理芯的通信。本文設(shè)計(jì)的計(jì)量芯主控功能上包含RTC功能模塊，接口上包括串口、I²C、GPIO等，通過(guò)SPI通信口與管理芯進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互，功能框圖如圖2所示。CPU采用ARM Cortex-M0 CPU，內(nèi)置128 KB Flash存儲(chǔ)器、8KB RAM，集成4通道DMA；串口負(fù)責(zé)與485通信、SPI與管理芯進(jìn)行通信；通過(guò)I²C操作EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；另有多路TIMER、看門(mén)狗等功能。

    IR46標(biāo)準(zhǔn)要求在運(yùn)行模式下，計(jì)量芯的電源不能被控制或干涉，計(jì)量芯RTC持續(xù)工作10年以上，且計(jì)時(shí)精度要滿足國(guó)網(wǎng)電能表計(jì)時(shí)精度要求?？偨Y(jié)以上需求可知，計(jì)量芯主控的高精度計(jì)時(shí)和低功耗工作是該主控的核心關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2 計(jì)量芯主控的高精度計(jì)時(shí)技術(shù)

    計(jì)量主控RTC采用32 768 Hz石英晶體，晶體的振蕩頻率會(huì)隨溫度變化，稱(chēng)之為晶體的溫度特性。32 768 Hz晶體的振蕩頻率與溫度呈類(lèi)二次函數(shù)關(guān)系^[3]，低溫和高溫區(qū)晶體的頻率偏差很大，無(wú)法滿足國(guó)網(wǎng)對(duì)智能電表的計(jì)時(shí)精度要求，必須加入溫度補(bǔ)償電路以提高計(jì)時(shí)精度。

    本文設(shè)計(jì)RTC電路，除了包括了RTC的計(jì)時(shí)功能，還包括關(guān)鍵的晶體溫度補(bǔ)償功能，模塊包含RTC計(jì)時(shí)模塊、溫度傳感器、專(zhuān)用的晶體溫度補(bǔ)償電路和一塊緩存Flash，F(xiàn)lash用于存儲(chǔ)晶體的溫度調(diào)校系數(shù)，如圖3所示。RTC計(jì)時(shí)電路定時(shí)觸發(fā)調(diào)校電路開(kāi)始工作，從溫度傳感器讀取當(dāng)前溫度值，然后根據(jù)溫度值從Flash中讀取對(duì)應(yīng)的調(diào)校系數(shù)，由調(diào)校電路對(duì)RTC的計(jì)時(shí)電路進(jìn)行調(diào)校補(bǔ)償。

    用32 768 Hz晶體振蕩器設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)滿32 768個(gè)周期為1 s，所以計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)周期相對(duì)于秒周期的改變量為：

即如果簡(jiǎn)單的對(duì)秒脈沖進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，能獲得的補(bǔ)償精度是30.5 ppm，對(duì)于小于30.5 ppm的頻率偏差，無(wú)法得到補(bǔ)償而帶來(lái)偏差，且隨著計(jì)時(shí)時(shí)間的加長(zhǎng)，計(jì)時(shí)偏差會(huì)越來(lái)越大。本文設(shè)計(jì)的主控芯片提出并采用了基于累積誤差控制的補(bǔ)償算法^[4]。補(bǔ)償算法如式(2)所示： 

式中，X_n為當(dāng)前時(shí)刻根據(jù)晶體溫度從Flash讀取得到的需要補(bǔ)償?shù)念l率誤差值(單位ppm)；Y_n-1為上次溫度補(bǔ)償后遺留剩余誤差值；N為根據(jù)當(dāng)前X_n和Y_n-1計(jì)算出來(lái)的需要補(bǔ)償?shù)恼麜r(shí)鐘周期數(shù)；Y_n為本次數(shù)字補(bǔ)償后剩余的頻率偏差值，用于下次補(bǔ)償時(shí)積累誤差用。由于對(duì)補(bǔ)償值N進(jìn)行了四舍五入，所以剩余誤差值Y的值會(huì)小于15.3 ppm，且由于本次補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嗾`差會(huì)累積到下次需要補(bǔ)償?shù)恼`差值中，所以計(jì)時(shí)誤差不會(huì)隨著計(jì)時(shí)時(shí)間的變長(zhǎng)累積變大。該補(bǔ)償電路的功能框圖如圖4所示，理論的精度效果圖如圖5所示。

    該補(bǔ)償電路采用全數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，受集成電路工藝波動(dòng)的影響小，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。該主控芯片的RTC經(jīng)賽西實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在-45 ℃~85 ℃溫度范圍內(nèi)，計(jì)時(shí)誤差在4 ppm以內(nèi)。

2.3 計(jì)量芯主控的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)  

    計(jì)量芯主控另一關(guān)鍵核心技術(shù)是低功耗設(shè)計(jì)，以支撐計(jì)量芯10年不間斷工作。CMOS邏輯電路的功耗可以分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分。動(dòng)態(tài)功耗是指當(dāng)芯片處于激活（active）狀態(tài)時(shí)，也即信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)的功耗，靜態(tài)功耗是指芯片處于未激活狀態(tài)或者沒(méi)有信號(hào)跳變時(shí)的功耗^[5-6]。動(dòng)態(tài)功耗70%源自開(kāi)關(guān)電容電流功耗^[6]，開(kāi)關(guān)電容的功耗定義如式（3）所示：

2.3.1 動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化

    根據(jù)式(3)的理論，設(shè)計(jì)上降低動(dòng)態(tài)功耗的方法主要是降低數(shù)字電路的翻轉(zhuǎn)率，主要包括以下技術(shù)。

    (1)門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)

    對(duì)每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)單獨(dú)的時(shí)鐘門(mén)控，在不需要模塊工作時(shí)，關(guān)閉模塊時(shí)鐘，減少時(shí)鐘電路的翻轉(zhuǎn)功耗。同時(shí)，在對(duì)芯片的RTL代碼進(jìn)行綜合時(shí)，插入時(shí)鐘門(mén)控單元，這樣寄存器輸入端的時(shí)鐘在信號(hào)不翻轉(zhuǎn)時(shí)就不會(huì)翻轉(zhuǎn)，極大地降低了時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)功耗^[7]。

    (2)低功耗總線技術(shù)

    總線技術(shù)引入到SoC設(shè)計(jì)使得芯片設(shè)計(jì)進(jìn)入模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，方便了系統(tǒng)的集成，也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。但另一方面， AHB總線和APB總線信號(hào)伸展到了芯片的每一個(gè)功能模塊，而從總線訪問(wèn)的互斥性可以看到，總線的主設(shè)備同一時(shí)刻只會(huì)訪問(wèn)一個(gè)從設(shè)備，但是不被訪問(wèn)的從設(shè)備的輸入總線信號(hào)還是會(huì)跟隨翻轉(zhuǎn)，所以總線的無(wú)效翻轉(zhuǎn)功耗很高。

    本設(shè)計(jì)首先對(duì)總線上的地址和寫(xiě)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行選擇門(mén)控，只有送往被操作外設(shè)的地址和數(shù)據(jù)總線是有效翻轉(zhuǎn)的，其余外設(shè)的地址和寫(xiě)數(shù)據(jù)總線保持靜止。此外，采用總線反相技術(shù)，總線矩陣處理模塊將總線上當(dāng)前數(shù)據(jù)總線值與上一個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，選擇是發(fā)送原碼還是反碼，以及依據(jù)哪一種碼導(dǎo)致總線的翻轉(zhuǎn)更少。設(shè)計(jì)時(shí)需要總線增加一位極性信號(hào)，以讓接收模塊正確地恢復(fù)總線上的數(shù)據(jù)。通過(guò)這兩種方式，極大地減小了總線的動(dòng)態(tài)功耗，將總線功耗占整芯片動(dòng)態(tài)功耗的比例從32%降到了26%。

    (3)異步電路設(shè)計(jì)

    在同步電路中，系統(tǒng)由全局時(shí)鐘控制，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，只要在翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘控制下的所有寄存器都會(huì)消耗動(dòng)態(tài)功耗，無(wú)論該寄存器的數(shù)據(jù)是否變化。

    而異步電路設(shè)計(jì)技術(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)不需要有統(tǒng)一的時(shí)鐘，電路僅在需要翻轉(zhuǎn)的時(shí)候才會(huì)啟動(dòng)工作，沒(méi)有這種無(wú)效的功耗浪費(fèi)，完成工作之后就恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，處于靜止?fàn)顟B(tài)的電路單元僅僅消耗漏電流，不會(huì)有動(dòng)態(tài)功耗^[7]。本文設(shè)計(jì)的主控在RTC模塊、看門(mén)狗模塊中，均采用了異步電路設(shè)計(jì)，確保芯片在電池供電下正常計(jì)時(shí)，并保持最低功耗。

    該芯片在TSMC 180 nm eFlash工藝上流片，芯片實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)功耗數(shù)據(jù)為：芯片供電電壓為3.0 V，配置LDO為1.7 V，主時(shí)鐘選擇2 MHz時(shí)，在溫度-40℃~85℃范圍內(nèi)，芯片總功耗為表1所示。

2.3.2 靜態(tài)功耗優(yōu)化

    根據(jù)電表的不同應(yīng)用場(chǎng)景合理設(shè)計(jì)芯片工作模式。電表在正常調(diào)試完成后的工作狀態(tài)分3種。第一種為電表在庫(kù)房尚未掛裝現(xiàn)場(chǎng)，此時(shí)只需要RTC精確計(jì)時(shí)，不需要計(jì)量、通信等其他功能，也不需要RAM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)保留，這種工作模式下，可以通過(guò)局部掉電做到最低功耗；第二種工作場(chǎng)景應(yīng)用于電表正常掛裝工作時(shí)，電表保持全功能工作模式，此種模式下，主控芯片的要求是盡量降低芯片的動(dòng)態(tài)功耗；第三種場(chǎng)景對(duì)應(yīng)于電表掛裝后市電掉電，而以電池供電的工作模式，此時(shí)需要保留電表掉電時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，RTC正常計(jì)時(shí)。對(duì)應(yīng)于主控的工作模式，需要保持RTC正常工作和正常的晶體溫度補(bǔ)償，同時(shí)RAM和CPU等都需要保持帶電以保留工作現(xiàn)場(chǎng)，來(lái)電喚醒和觸發(fā)喚醒電路保持工作，其他電路都將時(shí)鐘關(guān)閉以降低功耗。

    根據(jù)上述3種工作場(chǎng)景，該芯片設(shè)計(jì)了stop、sleep和active模式。active時(shí)主控正常工作；sleep模式下，RTC和喚醒源保持工作，其他模塊保持有電但靜止模式；stop下，除RTC和喚醒源外，其余模塊直接掉電，以達(dá)到最低功耗。3種模式可以互相轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

    芯片sleep模式下，供電電壓3.0 V，LDO配置為1.8 V，RTC使能，所有其他的外設(shè)均不使能，在溫度-40 ℃~105 ℃范圍內(nèi)，芯片的總功耗測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。

3 管理芯主控功能和關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管理芯主控功能

    雙芯智能電表的管理芯主要負(fù)責(zé)費(fèi)控管理、顯示、事件記錄、負(fù)荷控制等任務(wù)，同時(shí)提供一系列對(duì)外通信接口。本文設(shè)計(jì)的管理芯部分主控芯片的功能框圖如圖7所示。

    IR46與傳統(tǒng)智能電表的最大特點(diǎn)是管理芯要支持程序的遠(yuǎn)程或本地的在應(yīng)用升級(jí)。管理芯主控需要提供合理完善的解決方案，滿足電表穩(wěn)定、可靠、高效地進(jìn)行電表程序的本地和遠(yuǎn)程升級(jí)，這是管理芯區(qū)別于以前電表主控需要完成的一個(gè)關(guān)鍵功能。

3.2 管理芯主控在應(yīng)用升級(jí)關(guān)鍵技術(shù)

    主控的遠(yuǎn)程或本地升級(jí)主要指的是對(duì)MCU芯片內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除及重新下載。MCU對(duì)Flash存儲(chǔ)器的編程一般可以分成3種方式^[8]：JTAG、ISP(In System Program)和IAP(In Application Program)。JTAG編程一般用于產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段的調(diào)試；ISP強(qiáng)調(diào)芯片在應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的升級(jí)，但不要求程序升級(jí)時(shí)芯片繼續(xù)保持工作狀態(tài)，可以終止應(yīng)用軟件的運(yùn)行，適用于便攜式設(shè)備的升級(jí)；IAP和ISP最重要的區(qū)別是IAP支持應(yīng)用程序正常運(yùn)行的情況下，對(duì)Flash存儲(chǔ)器中的部分程序進(jìn)行擦除和重寫(xiě)操作，為終端固件的遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)帶來(lái)了很大的方便。雙芯電表方案的管理芯，采用的是IAP方式，支持程序的遠(yuǎn)程或本地的在應(yīng)用升級(jí)。

    為了保障電表程序在應(yīng)用升級(jí)的正確性，管理芯主控設(shè)計(jì)在程序升級(jí)的不同階段，都進(jìn)行指令和程序的正確性檢查。首先確認(rèn)升級(jí)軟件包的接收是否完整正確，接收正確后，將新程序?qū)懙紽lash，并對(duì)編寫(xiě)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)確認(rèn)；校驗(yàn)正確后，將對(duì)新更新程序進(jìn)行自檢，如果自檢沒(méi)通過(guò)，則需要有方式能將此部分程序恢復(fù)到升級(jí)前的一個(gè)版本。硬件上需要有足夠的空間對(duì)被替換的老版本程序進(jìn)行備份并記錄；能支持PC指針的靈活跳轉(zhuǎn)；流程上要保證每一步都需要校驗(yàn)確認(rèn)正確后再轉(zhuǎn)到下一步。同時(shí)，軟件上要求管理芯的主控程序采用模組化設(shè)計(jì)方案，即顯示模塊、通信模塊、費(fèi)控模塊、事件模塊等模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，互不影響，以保證電能表軟件支持對(duì)各模塊的獨(dú)立升級(jí)，這樣避免了軟件整體升級(jí)帶來(lái)的升級(jí)效率低、硬件存儲(chǔ)和通信開(kāi)銷(xiāo)大的缺點(diǎn)。

    應(yīng)用升級(jí)控制流程圖如圖8所示。該芯片在UMC55工藝上流片成功，用該芯片研發(fā)的樣表進(jìn)行在應(yīng)用升級(jí)的測(cè)試，模擬升級(jí)過(guò)程中程序傳輸出錯(cuò)、程序?qū)懗鲥e(cuò)，在升級(jí)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生電表掉電，芯片均能正確處理，報(bào)告出錯(cuò)環(huán)節(jié)，并給出信號(hào)開(kāi)始下次升級(jí)，并最終升級(jí)成功。

4 總結(jié)

    本文研究了基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯智能電能表方案，根據(jù)計(jì)量芯和管理芯各自完成的功能，設(shè)計(jì)了計(jì)量芯部分主控芯片和管理芯主控芯片。針對(duì)計(jì)量芯的高精度計(jì)時(shí)需求，提出了基于累積誤差控制的溫度補(bǔ)償電路；針對(duì)低功耗需求，采用了降低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗的一系列關(guān)鍵技術(shù)。管理芯主控部分，重點(diǎn)研究了高可靠安全的在應(yīng)用升級(jí)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理芯主控應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程升級(jí)。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)未來(lái)IR46標(biāo)準(zhǔn)的雙芯電表和電表主控芯片的開(kāi)發(fā)具有很好的參考意義。

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作者信息：

周芝梅1，2，趙東艷1，2，張海峰1，2，杜  君1，2，王維彬1，2

（1.北京智芯微電子科技有限公司，國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京100192）