由於各國陸續布建智慧電網電表系統，衍生可觀的商機，吸引半導體廠商紛紛開發新產品搶攻市場。然而電表系統架構龐大，組成的零組件眾多，如何以自身技術、元件組合為一個最完整的系統，則考驗著廠商的智慧。
歐美各國的公共設施均預計在2015年前汰換45%以上的現有設備電表；且包括中國、印度、巴西等開發中國家日漸增加的大量消費及工業需求。市調報告指出，在2010～2015年間，公共設施測量及相關通訊的需求總值將達195億美元，智慧型電表的出貨量預計將超過兩億具，其他資料來源的資料統計圖(圖1)也得出幾乎一致的推論結果。因此，許多公司都嘗試設計單晶片系統解決方案，以便從此一商機中獲利。本文的目的在於提供指南，以便供給目前的基礎公共設施測量應用。
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資料來源：ABS能源研究
圖1 2008～2012年測量需求預測 |
基本公共設施測量組成元件眾多
基本公共設施量測論及的功能，均可透過以下建構組件達成，包括測量電流、電壓(能源電表)或熱量(熱量計)，或是類比感應器(液流、氣流計)輸出值的類比前端，可以配合數位/類比感應器(含液流、氣流計)輸出值的液流/氣流測量單元，竄改防護與偵測機制，即時時脈(RTC)以便計時，可與外界溝通的通訊周邊，如ZigBee收發器、射頻(RF)收發器或其他的單晶片系統。以下將一一探討每個區塊。
類比前端負責輸入感應與測量
為了測量能源，必須測量三個相位的輸入電壓和電流，以及中性線的電流，以便計算出消耗值，這些數量都可輕易使用電流變壓器和感應器測量。所有的數值都會被傳給類比區塊，該區塊包含可設定的增益放大器(PGA)，有時也會被放在單晶片系統、濾波器及類比數位轉換器(ADC)以外的位置。PGA則會從電流變壓器或感應器接收原始輸入，再經過濾波及必要的多工處理(Muxing)後，將資料傳送給類比數位轉換器。
依照使用場合及單晶片系統的成本，這些PGA可配置在單晶片系統以內或改置於外部電路，這是因為其也會消耗更多的功率，也可能產生大量晶片內雜訊。要將雜訊從輸入訊號中去除，則須仰賴濾波器。在測量能源時，須使用通頻帶(BP)濾波器，以50～60Hz的中心頻率，讓所需的結果通過。此一階段(測量)的類比數位轉換器選擇尤其困難。
精確度、功率損耗及速度，都是選擇類比數位轉換器時要考慮的重點。最常選用的類比數位轉換器，不外乎連續逼近(SAR)與累進差額(SD)兩種。SAR類比數位轉換器使用的是取樣與保存的技術，會按照固定時間間隔捕捉輸入，接著經常地將數值與內部的數位類比轉換器輸出做比較，再據以調整以便逼近捕捉到的輸入值。每經過一次轉換，相對應的數位類比轉換器輸出值便會再次數位化、並儲存在SAR的登錄器內。
以SD的類比數位轉換器而言，輸入訊號會在期限內大量採樣，再過濾需要的訊號頻帶，然後加以平均，最後才數位化。SD類比數位轉換器屬於反饋快閃式的類比數位轉換器，利用快閃類比數位轉換器的快速轉換特質，其8位元操作的轉換時間甚至短到只有幾奈秒(ns)。這種輸出會反饋至輸入訊號中、再從中刪除，此種修正雜訊的方式將可有效消除雜訊。
因此，SD的雜訊響應會比SAR類比數位轉換器佳，因為後者只會在單一點進行取樣；但是，後者的輸入響應也比前者好。因此，SAR類比數位轉換器比較適於需要快速反應及低延遲的應用，以及多重頻帶的資料取樣。然而，若需要在雜訊多的環境中精確取得高解析度的資料，SD類比數位轉換器則較為合適。通常在測量應用上，較低階的解決方案都會使用SAR類比數位轉換器，而較高階的單晶片系統則會採用SD類比數位轉換器，取其善於處理雜訊的優勢。
核心與記憶體用以計算/儲存用量
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| 圖2 電壓、電流、電源及平均功率的關係 |
計算耗用量所帶來的沉重演算負荷，通常由核心承擔，測量對象包含活動功率、靜止功率、負載因子及實際功率。活動功率通常指的是由正在運行中的電壓與電流構成的功率成分，當其未運作時，得出的就是靜止功率，電感或電容負載效應則會分別使電流延滯、電壓超前(圖2)。
雖然靜止功率不會導致電力傳輸，而純粹的靜止負載也不會造成能量流動，但此種靜止功率仍會導致產生熱流。因而需要較佳的變壓器及更粗的纜線驅動更多電流並承受熱量，這些都連帶讓傳遞能源所需的成本更為增加。
因此，能源供應商便須對造成靜止負載的用戶課以罰則，並依功率因子分散實際的功率消耗。但由於功率因子(負載因子)一定低於1，這種分散方式反而會使消費者的功率消耗單位增加。這就是何以要計算負載因子的原因，因為其會被用來計算外在的功率，外在功率等於實際功率除以負載因子，實際功率則是電流與電壓均方值(rms)的乘積。
以上的探討顯示，對於測量應用而言，核心有許多的處理作業須執行，因此測量應用核心的選擇不外乎就是數位訊號處理器核心，就是因為能快速進行數學演算。有時這種核心的處理負載，亦可透過在平台中加入額外的媒體存取控制(MAC)區塊而得以減輕，因為MAC能執行大量計算，核心就有足夠的餘裕來執行通訊、顯示、以及監視(常見於智慧型測量)的運作。
晶片內記憶體的大小對於價格也扮演著決定性的因素。記憶體容量可以從小到只有256B的隨機存取記憶體(RAM)和8KB的快閃記憶體，以及大到26KB的RAM和264KB的快閃記憶體，如何選擇完全視應用而定。在較為先進的應用裡，甚至需要多達2MB的快閃記憶體和512KB的RAM。
流體/氣體測量邏輯處理方法有二
本區塊可包含的模組計有可程式化的計數器、比較器及脈衝寬度調變(PWM)器。氣體/流體的流速可由數位轉子感應器(使用數位輸出)，或是類比轉子感應器(使用類比輸出)測量。以數位感應器來說，感應器的脈衝序列輸出會被轉送給區塊中的計數器模組，以便累加次數，這個次數所對應的就是消耗量，可定期提供讀數，若使用的是類比感應器，就會改以比較器產生脈衝序列，再轉送給計數器模組處理。
顯示/傳送測量讀數不可或缺
測量應用中還有另一個重要的部分，就是如何顯示與傳送測量讀數，以便作為向消費者收費的根據。液晶顯示器(LCD)是最常用來顯示電流測量讀數的方法，在部分單晶片系統裡，可能並未內建液晶螢幕驅動器，因此必須仰賴外接的液晶驅動器，這時單晶片系統就必須將資料傳給驅動器，此動作可透過單晶片系統中的通訊周邊，以I2C、序列周邊介面(SPI)、通用異步收發器(UART)等介面及協定加以執行。讀數也可藉由無線訊號以ZigBee或紅外線的收發器傳送給遠端的液晶驅動器或資料記錄子系統。這時就可能須要先對傳輸資料進行調變處理之後，才能透過收發器傳送出去，如紅外線通訊。
防止竄改與計時舉足輕重
對於測量應用而言，防止讀數被竄改絕對不可或缺，這樣才能確保供應商不會遭受財務損失。消費者可能試圖改裝電表，讓它跑得比預期中的慢，這樣就可以讓讀數值較實際耗用值為少，因此保護電表不受此種破壞，就顯得十分重要。
整合RTC就已是十分有效的方式。因為透過這種方式，竄改偵測及相關的日期時間都只會由此一模組有效地記錄下來，所有的竄改動作都會被記錄在內部記憶體裡，並註記竄改的時間點。電表也可以藉由閃爍特定的發光二極體(LED)燈，或是在液晶螢幕上顯示事件的發生紀錄及時間，指出曾經發生竄改。
計時功能也扮演了要角，因為有的應用必須要讓電表去計算特定期間內的平均值。有鑑於此，只須由RTC定期發出中斷訊號，就可以指示核心進行此一動作。根據開放測量系統規格的指示，表1所顯示的就是核心進行平均計算的時間區隔。RTC亦可設定機制，只允許授權人員操作其登錄器，如此便可避免RTC登錄器遭到竄改。
然而，上述的需求導致必須設計出耗用電流極少的架構，如此才可以延長電表在一般用量下的電池續航力。這對於流體/氣體的測量應用而言尤其重要，因為它們都只能以電池運作，這種狀況下，單晶片系統的電池起碼要能維持10～15年之久。此外，以停止模式運作時的電流損耗方式亦十分重要，因為它們是單晶片系統處於停止模式時最主要的消耗來源。目前業界在停止模式下的一般電流損耗，約為0.5微安培(μA)，而一般正常運作的電流則約在4.3毫安培(mA)。
測量下一步為智慧型電表
本文的討論都集中在一般典型的低階基礎設施電表架構。但是，所有上述的功能及模組並不僅限於測量用的系統單晶片。相對地，它們代表的是測量的未來方向。如通用序列匯流排(USB)和乙太網路，以及其他周邊的出現，都促使測量用單晶片系統更往下一步發展，亦即所謂的智慧型電表。目前的電表已不僅是進行測量、防護及其他功能，還可以做更多的事，例如透過智慧型觸控螢幕與消費者互動，並提醒消費者關於目前的消耗量，也可以監視家中/辦公室內的每一種設備，並分辨哪一種設備消耗若干能源。透過網際網路，消費者便可以從不同的地點遙控他處的設備，例如從辦公室操作家中空調，這樣返家時便有已經十分涼爽的環境。
此外，自動讀表系統(AMR)也已度過漫長的發展期，其作法包括安裝預付費用的電表，再以紅外線/ZigBee接收器接收讀數，或透過乙太網路與整體封包無線電服務(GPRS)傳送。智慧電網的傳輸、故障定位及其他多項特質，也會令測量世界發生變革，這些都是「智慧型測量」世界肇始的先聲。
(本文作者任職於飛思卡爾)