深度分析：看智能电表如何雄霸能源管理领域

通常以七段式、字母数字或是矩阵显示。多数情况下，用户需要能直接从仪表看到使用量及费用。

同步：要可靠地将数据传送至控制中心或其它收集系统，时钟同步是相当重要的，如此才能支持诸如数据分析和精确计费等功能。这对于不稳定的或是使用异步通信协议的无线网络尤其重要。

　　节能源于超低功耗技术

在一些应用和市场中，仪表要受到低功耗要求的严格限制。比如：地下水表的服务周期为二十年甚至更久。对于这些应用，具有极低自放电率的特殊化学锂电 池，例如：亚硫酸二氯化锂（Li-SOCl2），必须满足长寿命的要求，很不幸地，相较于其它已建立市场地位的竞争产品，这些电池化学物太过昂贵了。

一个典型的“D”尺寸--Li-SOCl2电池具有介于16和19安培时的电容值。即使在量大时，每一安培时仍要花费50至75美分的不合理成本。然 而，当我们全盘考虑长达二十年的服务周期，则稳定的系统状态所耗费的10mA电流，仅会让仪表供应业者支出几美元的电池成本而已。

10mA * 24 时/天 * 365 天/年 * 20 年 * $0.75 安培/时 = $1.31电池（亦即系统） 成本

仪表厂商每年生产运输数百万个仪表是很平常的，如此大量的智能仪表运输清楚说明了针对计量系统最低功耗进行最优化的重要性。

　　智能化仪表

当我们来看这些仪表的不同种类并比较它们的功能，我们发现对系统设计人员而言，核心能力和技术是构建各部件的关键所在。对任何嵌入式智能系统来说，微 控制器是关键。在这些应用中，微控制器必须具备极低的功率，并集成实时时钟、模数转换器以及通信接口等功能。像集成的LCD控制器、循环冗余检验部件，或 是加密引擎这样更先进的特性可以进一步减少MCU的负荷，并使其能长时间处于低功率模式，如此便能降低整体系统功耗。

　　
图2 Silicon Labs Si10xx无线MCU提供高集成度控制和无线互联解决方案

无线发射器、接收器和收发器在这些系统中越来越常见，其中重要特性包括高集成度、极低功率的操作、自低功率状态中快速启动、高接收敏感度（高于 -118 dBm），以及无需外部功率放大器的高发射功率（高至20 dBm）。更先进的特性包括自动封包处理、集成型FIFO以及变频和调变结构。

集成了MCU功能和无线收发器的无线MCU（见图2）也能应用在智能仪表中。这些高集成度的单片设备能帮助减少BOM和系统成本，提供具有高性能无线连接的低功耗嵌入式控制方案。

实现下一世代计量系统的其它技术包括有线接入产品，例如可线性数据通信的调制解调器，提供网络同步的时序解决方案，以及提供安全和数据保护的隔离产品。

智能电表的数据保护

智能电表使用最新的集成电路（IC）技术进行精确测量并报告消耗的电量，智能电表比机电式电表复杂，但更加注重测量数据的完整性，这会直接影响公共事业供应商的结算收入。在智能电表设计中确保数据完整性的最有效的解决办法之一就是使用最先进的数字隔离技术。

智能电表使用电流隔离来保护内部低压集成电路，也使工作人员避免暴露在高压电线下。在有线计量应用中，比如高密度部署的住宅区，隔离器也可用于隔离控制器和数字数据总线，如图3所示。

　
图3 具有数字通信总线的智能电表

其他子系统，特别是那些暴露于高电压下的部分，也必须进行隔离电路。例如，需要在智能电表控制器IC和电源线通信（PLC）调制解调器之间进行电流隔离。这些系统中信号隔离可以采用多种方式实现。

光耦合器常用于智能电表中的信号隔离，但它们的使用面临着设计挑战，其主要缺点是受到光耦合器的共模瞬变免疫能力（CMTI）的限制。 CMTI是一个隔离能力的度量，代表在隔离栅输入和输出两侧抑制快速瞬态噪声信号的能力。由于光隔离器的物理结构所致，它们往往有较高的寄生输入输出电容 （一般在pF量级）。高的内部寄生耦合电容导致CMTI性能变差。光耦合器供应商通常建议客户，在光耦合器打开时需要过量驱动光耦合器LED灯来提高抗噪 声能力，反之在光耦合器关闭时要反向偏置LED灯。这些措施增加了光耦合器的CMTI，但同时也降低了器件寿命，影响了系统可靠性，增加了维护成本。

智能电表应用中所使用的另一种隔离解决方案是隔离变压器，但变压器一般应避免使用，因为它们容易受到电磁干扰（EMI）而破坏数据。脉冲变压器也不理想，因为其需要占用较宽带宽，而带宽对于数字信号传输是极为重要的。

有两大原因使得电磁场（EM）抑制力成为电表设计主要关注对象。首先，电表被安装到电磁噪声复杂的地点的概率较高。其次，一些隔离技术可能是电表系统 应用中最薄弱的环节。例如，应用一个外部磁场到基于变压器的系统将对数据的