挾高設計彈性　非標準MCU搶進智慧電網

為了更有效利用能源，並達到節能的環保要求，目前全球各國都積極投入智慧電網(Smart Grid)的建置，也帶動一股龐大的商機。根據Morgan Stanley預估，2010年全球智慧電網市場規模將達200億美元，2030年將可成長至1,000億美元。其中，負責資料分析、通訊與感測等工作的智慧電表地位舉足輕重，預期2010年全球智慧電表估計須裝置一億具。

看好智慧電網商機，扮演重要角色的微控制器(MCU)也積極布局，為提高設計彈性，讓客戶更易於修改，以符合各國標準規範，採用分散式架構的非標準微控制器產品應運而生。

針對特定應用　非標準MCU紛出籠

有鑑於電表要求的微控制器效能並不高，毋須採用標準型MCU來設計產品，因此包括意法半導體(STMicroelectronics)、德州儀器(TI)與恩智浦(NXP)等廠商紛紛推出有別於標準架構的MCU，僅具備MCU核心與周邊電路的特定應用產品，且毋須自行撰寫搭配的軟體，有助客戶簡化相關設計。

此外，串聯智慧電網中另一重要的角色為通訊技術，而電力線通訊(PLC)、ZigBee則分別為兩大主要有線與無線的技術。為提供電表聯網的能力，半導體廠商也以非標準型MCU搶攻市場，亦即不同通訊技術僅須替換產品前端即可使用。總結上述，可以說智慧電網為MCU開闢了一個嶄新的市場應用範疇。

圖1　意法半導體微控制器產品行銷經理楊正廉表示，雖然將所有周邊整合進微控制器中，可享有成本上的優勢，但在產品彈性則略顯不足。

意法半導體微控制器產品行銷經理楊正廉(圖1)表示，PLC控制器加上微控制器架構保留設計彈性，即便各國針對智慧電網有其標準規範供廠商依循，但客戶若想針對智慧電網架構中稍微修改通訊技術的定義，此分散式的架構將可提供最大的修改彈性，以避免因設計修改而須重開一顆專用積體電路(ASIC)時，造成人力與資金龐大支出。看重分散式架構微控制器的優勢，意法半導體已推出PLC與ZigBee的非標準微控制器產品。

目前非標準型微控制器分為兩種架構，一為單純的系統單晶片(SoC)，例如純粹的PLC控制器，具備一顆微控制器核心與其他周邊；另一種為PLC控制器加上一個完整的32位元微控制器，封裝為SoC。楊正廉指出，意法半導體適用於智慧電網中的ZigBee晶片也採分散式架構，亦即ZigBee收發器加上STM32微控制器，獨立的收發器可分散微控制器的運算負擔，更加提升效能，可以預期，此種非標準型微控制器將成為大勢所趨，不過客戶若是毋須保留修改的彈性，則可使用標準型產品或非分散式架構的系統單晶片。

圖2　飛思卡爾資深產品經理張明峰指出，從半導體元件角度來看，SoC將是一條在短期內能明顯改善MCU成本的途徑。

相當關注智慧電網市場的飛思卡爾(Freescale)資深產品經理張明峰(圖2)則表示，非標準架構MCU肯定是未來智慧電表和智慧電網的趨勢之一，因為其可大幅降低系統設計的複雜度並降低系統成本。為順應智慧電表的設計所需，飛思卡爾也推出三相電表設計的單晶片解決方案MCF51EM256，張明峰表示，晶片上含有四路獨立的16位高速類比數位轉換器(ADC)模組，加上32位元內核及數位訊號處理器(DSP)的媒體存取控制(MAC)運算模組，可實現所有電量參數計算，包括電流電壓有效值、有功無功功率與功率因數，甚至能通過FFT運算進行諧波分析。此外，晶片也整合可配置的液晶顯示器(LCD)驅動模組、帶溫度補償機制的高精度硬體即時時脈(RTC)模組、篡改和侵入硬體檢測、多路串列通訊介面如通用異步收發機(UART)、串列周邊介面(SPI)與I2C等，高達256KB的Flash程式空間和16KB的資料空間，同時提供MQX即時操作系統支援。

圖3　恩智浦單晶片微控制器資深主任應用工程師劉俊宏表示，根據智慧電網高效能、低供耗的需求，該公司將力推32位元產品。

耕耘工業市場的恩智浦，也以其MCU發展基礎，祭出32位元MCU搶攻市場，恩智浦單晶片微控制器資深主任應用工程師劉俊宏(圖3)指出，恩智浦同時涉獵自動讀表(AMR)與先進抄表基礎設施(AMI)，前者只是純粹讀取數據，架構較為簡單；AMI對於微控制器的要求則較高，包括運算能力與周邊等。恩智浦也針對智慧電網推出非標準型MCU，劉俊宏表示，此一非標準型的產品適用於能源的計量，屬於智慧電網架構中，前端電表測量功耗、電壓、電流的量測，與標準型MCU最大的不同是，非標準型MCU是以應用為出發點，強調功能導向，可依據客戶需求進行客製化，並保留標準MCU的高設計彈性，有助加快產品發展的速度，預計2010年底，恩智浦也將推出新一代非標準型MCU產品，針對「插頭式電表」所設計，亦即將裝置的插頭插上此插頭式電表後，消費者將可第一時間得知目前裝置的耗電量等資訊，此外，由於非標準型MCU仍帶有設計彈性，因此，也可讓客戶自行增加創意，開發更多應用。

圖4　微芯智慧型能源方案部門商務事業處主任Clayton Pillion表示，為執行精準測量，MCU須配備高效能類比前端元件，非標準MCU則配備10或12位元的ADC。

微芯(Microchip)長久以來持續致力於微控制器的設計與開發，該公司智慧型能源方案部門商務事業處主任Clayton Pillion(圖4)表示，為支援市場上的各種應用，因此微芯MCU系列產品的支援也相當完整，針對智慧電網也採用類似的策略，也就是在專屬智慧電網市場的需求和其他市場的需求間取得良好的平衡。在產品的開發上，過度強調新興和開發中市場的作法將面對極高風險，因業界隨時可能改變方向而減損產品的價值。智慧電網結合成熟和新興技術，長期來看，微芯希望開發具備智慧電網基本功能的微控制器，同時透過客製化軟體執行各種多樣化的功能。

Pillion並舉例說明，由於能源計量會隨著不同政府機構的政策而有所差異，因此，相對於設計專屬硬體，微芯的策略是提供設計人員足夠的空間，在相同的量測平台上，利用軟體執行不同的能源計量。如類比前端元件因其量測功能而被整合進MCU，但是計算部分則交由經過軟體客製化的中央處理器(CPU)執行，同樣的類比前端元件可以運用在其他要求精準類比數位轉換的應用，如各種新興的通訊協定和安全技術，其中，許多新的通訊標準正處於接受評估和草擬階段。

鎖定低階電表設備　8位元MCU亦具發展潛力

雖然廠商皆將其32位元MCU作為智慧電網主力應用產品，不過，事實上，針對較低階的電表，8位元微控制器仍有機會。張明峰表示，針對低階、低成本的單相電表設計，也可透過飛思卡爾的8位元MCU設計，雖然內核運算能力不如32位元MCU，不過，同樣也整合眾多針對電表設計的外設模組，包括雙通道16位元的高速ADC、LCD、RTC、多通道UART、SPI、I²C等。

近期才新推出32位元MCU的微芯，也認為8位元微控制器仍有其發展空間，Pillion表示，智慧電網的MCU須配備較大的記憶體、額外的處理能力、低功耗、類比前端元件和多節點的液晶顯示器。微芯剛推出的8位元MCU系列可支援單相多功能智慧型計量與電能監測應用，包括一個高精確的16/24位元類比前端元件，能執行能源量測，也包括128KB的快閃程式記憶體以儲存通訊與量測軟體，能在量測的同時進行通訊。而將所有功能整合至單一微控制器的結果，可降低系統整體成本。另外，此8位元MCU系列可擴及智慧電網市場的各種應用，如智慧型家電、電力輸送的基礎設施或為電動車充電等。

劉俊宏指出，2000年時，恩智浦的8位元MCU即已用於中國大陸電表產品中，當初的電表產品僅為簡單的機械表，因此8位元MCU即可符合需求，不過，隨著電表產品整合的功能逐漸增加，如回報數據、內建LCD顯示幕等，朝向所謂的智能電表發展後，8位元MCU的導入機會也逐漸縮小，32位元將成為主流。

有別於其他廠商，楊正廉則表示，現階段意法半導體在智慧電網市場主推STM32微控制器，8位元的STM8則未用於智慧電網應用中。

非標準型MCU市場較狹隘

至於未來非標準型產品市場規模是否超越標準型產品，楊正廉認為，非標準型產品的應用較受局限，而標準型產品則有較大的發展空間，可應用的市場領域較多，因此可維持一定的出貨水準。舉例而言，如意法半導體的ZigBee與PLC等非標準型MCU，兩者的應用市場僅止於通訊領域，要擴大至其他非通訊的應用領域，勢必有其困難度。

張明峰則認為，目前中國大陸區域利用標準型MCU設計智慧型電表較普遍，主要是因為早期的全電子電表設計標準都按前端計量和後端控制兩部分來實現，因為強大的設計慣性，這樣的實現方案在最新的智慧電表中被繼續延用。當然，前端計量晶片和後端MCU已經改朝換代。非標準MCU應用，亦即SoC方案，目前在全球正日益普及，包括中國大陸市場也正在考慮採用SoC方案。從市場總體看，非標準型MCU解決方案因能簡化系統設計、降低系統成本，將會成為主流。

劉俊宏則以終端應用分析，他表示，非標準型MCU在智慧電網的應用中大有可為，但由於非標準型MCU是以應用為導向，因此市場局限在所難免。亦即非標準型MCU雖擁有較高的客製化能力，然水能載舟亦能覆舟，客製化也成為其市場規模受限的關鍵。

智慧電網MCU需求為低功耗/高整合

無論8位元或32位元MCU，廠商普遍認為，低功耗為智慧電網最大的要求。楊正廉表示，智慧電網架構中所需的電表數目相當龐大，若MCU未具備低功耗特色，整個智慧電網系統的耗電量將相當驚人，因此低功耗為MCU導入智慧電網時最重要的關鍵，針對此一需求，意法半導體STM32家族中即有一系列低功耗產品。

張明峰指出，基於飛思卡爾對智慧電表和智慧電網的理解，其對MCU的基本要求則包括外部設備整合、大儲存容量、高可靠、低功耗和低成本，他進一步解釋，系統複雜度的提升，迫切要求晶片能提供更多的片上外設資源，為滿足電量計量，需要多路高解析度、高精度的片上ADC，AMR也需要多路通訊模組，而複雜的智慧電網管理還須支援多種組網可能，如PLC、乙太網路(Ethernet)、ZigBee等。

此外，除了最基本的電量計量功能外，智慧電表和電網增加大量的資料記錄、查詢和管理功能，進行嚴格的電表篡改和侵入事件檢測，還須實現完整的電表管理和抄表協定，並要考慮使用嵌入式作業系統，所有功能要求都需要有大容量的程式和資料存儲空間來支撐。在可靠性方面，智慧電網必須具備極強的抗干擾能力和長時間工作的穩定性，以滿足千萬數量級的規模安裝，同時符合8～10年不間斷運行的嚴苛要求，並能抵抗各種複雜的環境和人為因素對電表及電網系統所造成的破壞與侵害。

在最重要的成本方面，張明峰則強調，降低系統整體功耗是綠色環保的最重要指標，電表本身被要求能進入極低功耗的休眠模式，並能被多種外部設備喚醒，以保證靠電表內的電池維持至少8年待機壽命，另外，智慧電網未來大量的系統升級和安裝，必定要求新產品具足夠的成本優勢，因此MCU的成本必定是重點考慮的因素之一。

智慧電網開創MCU新應用

除電表之外，智慧電網並可結合智慧家居，創造MCU更大的商機。Pillion表示，隨智慧電網的發展，MCU也出現一系列新的應用，透過微控制器的設計，設計人員將能開發具備能源計量管理功能的消費性電子和生活家電，其中，由MCU執行通訊協定堆疊，讓這些裝置能連接到家庭區域網路或電力網路(Power Grid)，以接收來自電力公司的時間費率異動和負載調控需求回應訊號。

舉例而言，一台「智慧型洗衣機」可以連接電力公司的價格表，並通知使用者尖峰和離峰時段的機器運轉成本，除幫使用者省錢外，也可降低電力公司的尖峰能源需求，若洗衣機在洗衣週期內，剛好碰到電力公司須重新調整負載控管的狀況，則洗衣機可自動將洗過衣服的水放掉並且關機，等到負載調整完畢，洗衣機再接著從關機的時點恢復運作。未來，結合智慧電網，家電設備可統計本身的能源用量，並通知消費者以協助控管能源用量。

劉俊宏表示，從應用端的角度出發，家庭自動化也可納入智慧電表的一環，亦即家電設備未來也將與家中智慧電網控制系統整合，消費者可隨時掌控每台家電產品的即時用電狀況，此時，則需更高階的MCU才能支援，可謂智慧電網也為MCU開啟通往家庭自動化市場的大門。