GreenFire系统:智能电网的核心

 为了提高能源使用效率，一种名为虚拟能源账户的新形态能源记账系统应运而生，用于处理个人、家庭或公司所有的发电量和消费。虚拟能源账户使用网络技术，集成全部所需要的各种信息。

　　智能系统

　　GreenFire系统包含有关能源使用及计账的新方法。GreenFire系统由两个要件构成：传感器和服务器。传感器负责测量其所附着装置的功率流。GreenFire传感器硬件设计有多种可选择的技术。最合适的是基于Microsemi的SmartFusion系列的设计。

　　每个SmartFusion器件包含一个ARM Cortex-M3微控制器子系统，一个内建紧密结合的现场可编程门阵列(FPGA)和SRAM区块，以及一个可编程模拟区块。通过结合3个主要的电子硬件，SmartFusion能够把传感器放入插头和电器内部高度集成。而安全性则是SmartFusion器件设计和制造时与生俱来的功能。

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　　Cortex-M3是ARM专门用于控制应用的处理器内核。SmartFusion Cortex-M3和SRAM的工作速度为100MHz，零等待时间。在每个SmartFusion器件中，有两个独立零等待状态的嵌入式SRAM区块和一个针对使用者的嵌入式非易失性闪存大区块。标准硬件外设包括一个10/100Mbp Ethernet MAC，SPI、I2C和UART串行埠各两个，两个32位定时器和一个32位看门狗定时器。

　　在GreenFire传感器中，FPGA架构被用于实现某些DSP算法，如快速傅立叶变换(FFT)。电力线的电压和电流通过芯片上的模数转换器进行采样与数字化。采样序列透过FFT来决定某些指标，如功率因数和谐波含量。在某些情况下，监测中的系统是否正常可以由分析出来的参数来判断，预先示警可以避免潜在的灾难性故障发生。在FGPA架构中执行FFT算法，比在微控制器中执行，保留更多时间。此外，一个专属的硬件FFT控制器，比在通用微处理器架构上执行相同工作的软件更快、更省电。

　　可信任架构

　　GreenFire传感器内的SmartFusion器件所具有的安全功能，提供了传感器硬件的可信任架构(root of trust)。它会检查储存在用户可存取的内存内的程序签名，以确保程序代码没有被篡改。

　　Flash的运用，成为基于SmartFusion架构的GreenFire系统重要的安全基础。它可以保存芯片上用来建立安全网络通信的加密密钥和证书。SmartFusion内建的篡改检测电路，使入侵者的工作变得更加困难。要进一步保护重要程序代码的安全，SmartFusion器件包含一个专属的硬件加速解密引擎，可以安全地加载。

　　设计流程

　　采用与SmartFusion器件和GreenFire所使用的软硬件环境相符合的概念模型技术，可以进一步加快开发的速度。GreenFire Workbench使用Mathworks发行的MATLAB和Simulink工具来设计。

　　首先，设计可以直接用文字描述的硬件描述语言(hardware description language，HDL)，如Verilog或VHDL。主要的链接库区块，如FFT或GPIO，可从Microsemi SoC产品部网站获得。Microsemi还提供Mentor Graph的ModelSimVerilog和VHDL仿真器，可以进行寄存器传输级(register transfer level，RTL)和门级(后期合成)的逻辑仿真。

　　另一种设计方法，特别适合于需要大量DSP的设计，是使用Simulink和Synphony HLS AE DSP区块链接库和生成工具插件。Microsemi FPGA的用户可以免费使用Synopsys工具，可以在Simulink内抓取和模拟参数化的区块图，并用于自动产生转化过后的Verilog或VHDL，供下游合成工具使用。

　　当FPGA的设计以一种或多种上述提到的方法产生VHDL或Verilog后，就可以使用Synopsys Synplify Pro编译程序来合成电路，将设计从RTL转换到门级。然后，利用Libero IDE的布局和布线工具来完成在某个特定器件上的实际电路制作，这包括时序收敛和功率分析。剩下的就是完成处理监测数据。

　　为了提升效率，电力网络必须改善并变得更加智能。采用互联网技术，再加上一个安全、高集成的硬件平台，可以降低能源消耗，优化消费，降低消费者的成本。基于Microsemi SmartFusion cSoC的GreenFire系统可以作为这种新型智能电网的基础。