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大咖谈技术丨为智能电表打造新一代电能计量MCU

2018-12-27
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近年来,在全球范围内,人们对电的需求日益增加,智能电表的使用范围也迅速扩大,以此鼓励节约能源、支持电力行业开放并防止偷电现象发生。调研数据显示,世界各地每年安装的符合DLMS标准并具备增强安全性能的智能电表的数量预计从2016年的3000万增加到2020年的1.1亿,因此,保证电表数据的安全性和降低电表价格已成为智能电表使用数量徒增的关键因素。


RL78/I1C系列微控制器(MCU)是瑞萨电子向电表市场,特别是智能电表市场,推出新款产品,旨在满足国际标准DLMS的要求,增强安全功能并提升算术运算速度。

 

RL78/I1C系列新MCU提供七种版本,片上存储容量包括:64KB(用于低端单相电表)、128 KB(用于高端单相电表)和256 KB(用于三相电表)。封装管脚数量包括:64管脚(满足节省空间的需求)、80管脚(用于新兴国家使用的单相电表)、100管脚(旨在满足高级应用的单相电表)。


RL78/I1C系列产品分布


RL78/I1C微控制器(MCU)的主要特性:

(1)能够在单片上进行电功率测量处理和DLMS处理,与双片配置相比,功耗降低30%


在向通信模块传输功率测量MCU测得的电表数据时,智能电表需要具备符合DLMS标准的认证和加密/解密功能。为此,RL78/I1C微控制器集成了一个AES硬件引擎,支持最新ECB/CBC/GCM三种模式,性能20倍于软件AES加密。

 

作为电表行业内首款在硬件中执行DLMS标准所要求的AES GCM加密模式的微控制器,RL78/I1C与在现有瑞萨MCU上使用软件处理的加密解密技术相比,该款微控制器可提供20倍或更高的速度提升。此外,片上锁相环(PLL)可将最大工作频率从24MHz提升到32MHz,而且硬件32位乘累加器能够更好地对24位DSAD采样数据进行计算,从而将算术运算能力增强约30%。这意味着,使用单芯片就可同时进行电功率测量处理和DLMS处理。


RL78/I1C内置32位乘累加器


该RL78/I1C MCU可在执行处理工作支持DLMS通讯的同时处理电功率测量工作。为了更好的支持AMI通讯,I1C系列最大可扩展至256KB内存,能够储存电力测量处理和DLMS处理的程序代码。相较于早期由功率测量和专用DLMS处理MCU组成的双片解决方案,它可以将功耗降低约30%,并大幅节约降低系统成本。


(2)支持三相四线电表,从而支持单相到三相的新产品


事件链接控制器功能和调相功能可以与四通道24位ΔΣ模数转换器和三通道10位逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器配合使用。这样可以按照三相四线电表的要求进行七通道电流电压测量。除传统单相两线和三相三线电表外,增加对三相四线电表的支持能够让电表制造商使用RL78/I1C作为公共平台来开发各种工业用和民用电表。


此外,瑞萨电子已将现有RL78/I1B的功能和特性扩展到了新型MCU中,同时改进实时时钟架构,以实现在使用独立电源和功率监测功能操作期间待机模式的电流消耗达到0.7μA(典型值)。例如,尽管外部高速晶振可用于RL78/I1C,但是同样可使用片上高速晶振以降低成本,使方案更具竞争力。

 

在实际使用中,片上高速晶振可以通过低速晶振时钟源来计数,且成本不会增加,因为外挂的32K晶振本身也是系统所需要的。计数值与HOCODIV预先设定的值进行比对,获取误差值,然后电路自动进行正负偏差修正。数据表明,RL78/I1C高速片上晶振可以保证时钟运行精度控制在+/-0.05%以内。


RL78/I1C高速时钟架构


另一方面,瑞萨电子的时钟设计比竞争对手的时钟设计更适合电表应用。有些市场的电表需要做浪涌测试,且测试过程中系统必须保持在正常运行状态。正是考虑到这个要求,RL78/I1C的系统及计量采用片上高速晶振,相比于其他竞争对手采用基于32K晶振来倍频做时钟源,具有更好的稳定性及抗干扰能力。


瑞萨电子时钟设计具备高抗干扰能力


实时时钟(RTC)采用独立电源进行供电,仅需0.7uA (典型值)运行功耗,最低工作电压可至1.60V。当外部发生异常事件导致RTC停止运行,RTC可瞬间记录该时间点以便复原。此外,RTC可以在CPU休眠的时候正常工作,万年历及时钟的正常读取无需CPU参与,并可防止外部非法读取(比如通过外部事件响应来获取)。


RL78/I1C电源管理系统


RL78/I1C还同时增加了硬件过零检测功能,确保DSAD每路都有相位调整单位。正是这个功能,使得DSAD在转换完成后直接触发SAR ADC, 以完成三相电能的计量。该操作模块装备了备用电池,即使在断电的情况下,CPU和外设功能也可以继续工作。

 

(3)电表模拟评估工具包和电表参考工具包有助于将开发时间缩短约25%,并降低开发成本


全球市场对电表的需求正迅速增加,尤其是在新兴市场国家。这就要求加快新型电表的开发速度,以及更高效地利用当前的专业知识。通过在初始研究阶段使用电表模拟评估工具包,无需实际编写程序即可开始对RL78/I1C的性能特点进行评估。电表参考工具包中包含实现测量功能的硬件和驱动器以及高度可靠的DLMS库。它可以用于电表开发阶段将开发时间缩短约25%(与自主开发相比),还可以降低成本。


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