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您有沒(méi)有想過(guò)，為什么有這么多的專(zhuān)用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)公司在討論計(jì)量SoC及相關(guān)解決方案？為什么每家公司都想設(shè)計(jì)出一個(gè)計(jì)量SoC？為何關(guān)于計(jì)量的討論如此之多？
答案就是利潤(rùn)驅(qū)動(dòng)該業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。世界各地的企業(yè)都意識(shí)到其中的巨大商機(jī)，理由有兩點(diǎn)：美國(guó)與歐洲正著手更換現(xiàn)有公用儀表，預(yù)計(jì)到2015年將更換超過(guò)45%；在中國(guó)、印度、巴西等發(fā)展中國(guó)家，消費(fèi)群和工業(yè)用戶群不斷膨脹，存在巨大需求。
根據(jù)預(yù)測(cè)，2010年至2015年公用儀表及相關(guān)通信市場(chǎng)的需求將達(dá)195億美元，智能儀表出貨量預(yù)計(jì)超過(guò)2億。圖1中的數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的資料，與上述數(shù)據(jù)相吻合。
圖1：2008～2012年間儀表需求量預(yù)測(cè)。
因此，許多企業(yè)正在嘗試開(kāi)發(fā)SoC解決方案，都想抓住這一賺錢(qián)機(jī)會(huì)。本文旨在為設(shè)計(jì)基本公用儀表架構(gòu)提供指導(dǎo)，可解決現(xiàn)在基本公用計(jì)量的目標(biāo)與應(yīng)用，包括用量計(jì)量、防篡改保護(hù)、時(shí)間記錄、儀表讀數(shù)顯示和傳送。
基本公用儀表組件
上述所有功能可通過(guò)圖2中的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。包括：模擬前端，用于計(jì)量電流和電壓(電表)或熱量(暖氣表)或模擬傳感器的輸出(流量計(jì)/煤氣表)；流量/煤氣測(cè)量單元，使用數(shù)字/模擬傳感器輸出計(jì)算使用量(流量計(jì)/煤氣表)；防篡改保護(hù)和檢測(cè)邏輯；RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，用于記錄時(shí)間；通信外設(shè)，用于與外通信，如采用ZigBee收發(fā)器、射頻收發(fā)器或其他SoC；顯示屏驅(qū)動(dòng)器，用于諸如顯示儀表讀數(shù)、日期時(shí)間及其它信息等數(shù)據(jù)；內(nèi)核功能，用于處理數(shù)據(jù)，計(jì)算用量以及執(zhí)行其它任務(wù)；存儲(chǔ)器，用于保存儀表讀數(shù)、篡改時(shí)間等數(shù)據(jù)。
圖2：公用儀表的組成模塊。
下面讓我們來(lái)詳細(xì)探討各個(gè)模塊。
模擬前端(感應(yīng)和計(jì)量輸入)：我們需要計(jì)量所有三相的輸入電壓和電流、中性線電流，才能計(jì)算用電量。這些數(shù)據(jù)可使用電流互感器和傳感器輕松計(jì)量。
所有這些數(shù)據(jù)都饋入模擬模塊，包括可安裝在SoC外的可編程增益放大器(PGA)、濾波器和ADC(圖3)。將電路互感器或傳感器的原始輸入值饋入PGA，然后經(jīng)過(guò)過(guò)濾及必要的多路復(fù)用處理后饋入ADC。多路復(fù)用可以是ADC的一部分。這些ADC計(jì)量上述數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳送給內(nèi)核處理功能。
圖3：模擬接口。
有時(shí)，電流互感器和傳感器的輸出不在ADC要求的范圍內(nèi)，不符合轉(zhuǎn)換的精確性要求。在這種情況下，使用PGA來(lái)擴(kuò)大輸入值范圍，以提供所要的結(jié)果。根據(jù)使用情況及SoC成本，這些PGA既可安裝在SoC內(nèi)部，也可安在外部，因?yàn)樗鼈兊暮碾姼�，也�?huì)產(chǎn)生大量的片內(nèi)噪聲。
使用濾波器清除輸入信號(hào)中的噪聲成分。使用50至60赫茲中心頻率的帶通(BP)濾波器來(lái)傳遞所要的結(jié)果，以方便電表計(jì)量。單相電表在SoC上有兩個(gè)ADC，分別用于計(jì)量電流與電壓。每增加一個(gè)相位，ADC的數(shù)量也加1。
這種情況下選擇ADC特別困難(計(jì)量)。準(zhǔn)確度、功耗和速度是決定ADC選擇的主要因素。最常見(jiàn)的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)兩種ADC。
兩種ADC各有優(yōu)劣。因此，ADC的選擇在很大程度上取決于SoC的用途與預(yù)算。SAR ADC使用采樣保持技術(shù)。它們?cè)谔囟ǖ臅r(shí)刻捕獲輸入數(shù)據(jù)，然后不斷將數(shù)據(jù)與內(nèi)部DAC輸入值對(duì)比，進(jìn)一步調(diào)整內(nèi)部DAC輸入值，使其接近捕獲的輸入值。每次轉(zhuǎn)換時(shí)，相應(yīng)的DAC輸出值被數(shù)字化并保存在SAR寄存器中。
SAR ADC的分辨率較好，第一次轉(zhuǎn)換延遲較低，取值范圍較大。它們對(duì)于輸入通道值的變化很敏感，而輸入通道的帶寬又極高。但是，這些類(lèi)型的ADC由于重復(fù)減除和對(duì)比而存在線性誤差。
在SD ADC中，在某段時(shí)間內(nèi)過(guò)度采樣輸入信號(hào)，然后過(guò)濾所要的信號(hào)頻帶，然后平均數(shù)字化。SD ADC是反饋閃爍型ADC。它們利用閃爍型ADC的高轉(zhuǎn)換速度，其轉(zhuǎn)換時(shí)間短至數(shù)納秒，用于8位操作。閃爍型ADC的結(jié)果存在大量錯(cuò)誤。然后反饋此輸出，并從輸入值中減去輸出值。這將導(dǎo)致噪聲整形，從而降低噪音[參考文獻(xiàn)4]。
因此，SD ADC的噪聲響應(yīng)比SAR ADC好，因?yàn)镾AR ADC只抽取單點(diǎn)樣本。但是，SAR ADC的輸入響應(yīng)優(yōu)于SD ADC。因此，當(dāng)應(yīng)用需要快速響應(yīng)、低延遲以及多通道數(shù)據(jù)捕獲時(shí)，SAR更合適。但如果是在嘈雜的環(huán)境中，需要高精確度和高分辨率，則應(yīng)該選擇SD ADC[參考5]。通常在計(jì)量應(yīng)用中，低端解決方案有SAR ADC，而高端SoC則有SD ADC，以提供更加抗噪的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
