智慧計量市場蓬勃發展，各地區城市配送電力網升級智慧型電表已成為趨勢。然而，智慧型電表涉及許多不同技術層面，設計人員在設計智慧電表時將遇到諸多挑戰，亟須仰賴整合性平台解決方案，才能滿足智慧計量市場低成本和快速上市需求。
全球智慧計量市場正不斷成長。中國大陸已著手開始升級城市輸配電力網中的智慧型電表，2010年已升級1.7億台，後面還將升級農村和南方的輸配電力網。而中國大陸以外的歐盟國家(西班牙、法國和英國)也相繼升級數千萬台智慧型電表。東歐、南美和非洲一些發展中國家也都邁入升級其電表的進程。
智慧電表設計挑戰
對於電表設計人員來說，智慧計量市場的擴大在創造豐富商機的同時也帶來諸多挑戰。因為市場區域差異，使得地區間的需求各不相同，例如，中國大陸預付費電表使用智慧卡，而非洲採用的是鍵盤和代碼。類似的，歐洲智慧型電表採用電力線通訊(Power Line Communication, PLC)技術，而南美智慧型電表採用無線技術。在中國大陸，農村輸配電力網比城市輸配電力網所需的功能較少，並且各省投標要求也不盡相同。
另外，智慧計量市場是個相對嶄新的市場，仍在不斷改進，如何確保智慧型電表設計靈活性，使其能滿足未來需要，亦是值得注意的。
採用平台解決方案 滿足智慧電表市場需求
許多現有的解決方案都是以產品為中心，能夠很好地支援特定的智慧型電表產品，加上功能配置恰當，因而可最佳化成本。然而，智慧型電表涉及到很多不同的技術層面，具有不同的成本和性能要求。因此，以產品為中心的方法必須通過以下兩種途徑擇一解決問題：
1.重用高端產品來服務於低端市場。
2.使用不同供應商提供的解決方案為不同市場領域開發不同的產品。
選項1支援設計重用，能加快產品上市，但其成本架構在低端市場沒有什麼競爭力。選項2的產品成本較低，但是設計人員必須學習和購買不同工具，維護多個程式碼，長此以往，代價也十分高昂。
要應對不斷進步的全球智慧計量市場中低成本和快速上市互相矛盾的要求，可採用平台解決方案。一款好的平台依靠一條工具鏈、可重用軟體和豐富產品，支援各種市場領域，並同時滿足低成本和上市快這兩種要求。從設計人員的角度來說，平台解決方案可被認為是共用開發環境，具有可重用軟體庫的一系列元件。一個好的平台應該具有豐富的元件，從而滿足不同市場需求。
包含微芯(Microchip)的PIC微控制器(MCU)和dsPIC數位訊號控制器(DSC)系列在內的平台，具有8位元、16位元和32位元三種架構，並且採用統一的整合式開發環境(IDE)--MPLAB IDE。此平台具有約七百款MCU產品，以及獨立式類比前端(Analog Front End, AFE)和記憶體產品，能根據不同電表的特定需求，提供高成本效益的完整解決方案，並且該解決方案可在整個PIC MCU和dsPIC DSC架構間輕鬆移植。
具成本競爭力的智慧型電表
智慧型電表必須部分或全部支援以下主要功能，包括(一)測量有效功率/無效功率、正向/反向功率、有效/無效/視在功率和RMS電流/電壓：通用MCU性質使其相當靈活，可實現這些功能的全部或一部分，適用於任何特定市場領域，要計算能量、功率、電流和電壓，中央處理器(CPU)須要具備一定的處理能力。(二)多費制或分時(Time-of-use, TOU)功能：這需要額外的記憶體、精確可靠的即時時脈(Real Time Clock, RTC)以及儲存用外接電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)介面。(三)RS485、光纖、IR、可程式控制器(PLC)和無線通訊：這需要硬體通用異步收發器(UART)實現易用性，以及額外的隨機存取記憶體(RAM)用做通訊緩衝區。
因此，智慧計量應用對MCU的要求超出用於普通電表的典型MCU產品，例如普通電表用MCU僅需32KB快閃記憶體記憶體、2KB RAM和簡單能量脈衝輸出。在不增加成本情況下支援智慧型電表，智慧型電表MCU最低要求應包括串列周邊介面(SPI)介面、64KB快閃記憶體、4KB RAM、兩個硬體UART和一個具有日曆功能的硬體即時時脈和日曆(RTCC)。
PIC18 MCU系列可滿足這些設計要求，該系列採用16位元程式字架構，並整合精簡指令集運算(RISC)架構、32級深堆疊、8×8硬體乘法器以及多個內部和外部中斷。PIC18系列在微芯的8位元產品中性能最佳，以低於16位元/32位元MCU架構的成本提供高達16MIPS的運算速度和豐富的線性儲存空間。PIC18F87J90 MCU系列可用於實現經濟高效的入門級智慧計量解決方案(圖1)，其具備資源有記憶體、串列介面、RTCC、液晶顯示器(LCD)、電磁相容(EMC)/靜電放電(ESD)、能量計算，詳細說明如下：
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| 圖1 PIC18F87J90智慧型電表方塊圖 |
記憶體
PIC18快閃記憶體微控制器元件中有兩種類型的記憶體，分別為程式記憶體和資料RAM。PIC MCU基於哈佛架構，對資料記憶體和程式記憶體分別使用獨立匯流排，允許同時存取這兩個儲存空間。憑藉64KB程式記憶體和4KB資料RAM，PIC18F86J90 MCU成為智慧計量解決方案的絕佳起點；而PIC18F87J90 MCU具備的128KB快閃記憶體可滿足未來移植需要。此系列元件快閃記憶體通常能耐一萬次擦/寫，且資料保存時間至少20年，同時還具有字寫入功能，可用於資料EEPROM模擬。
串列介面
一個可工作在串列周邊介面模式下的主同步序列埠(Master Synchronous Serial Port, MSSP)用於從AFE獲取完整的暫存器值。一個增強型通用同步非同步收發器(Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter, EUSART)提供IR自動串列傳輸速率檢測功能。一個可定址通用同步非同步收發器(Addressable Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter, AUSART)可由RS485和電力線通訊共用。其他UART需求可通過軟體模擬來支援。
RTCC
硬體即時時脈和日曆提供時鐘、日曆和鬧鐘功能。該模組為百年時鐘和日曆，具有閏年自動檢測功能。該時鐘提供一秒的時間細微性，用戶可看到半秒的時間間隔。以下為RTCC特性說明：
RTCC精度會受到外部時脈晶振的影響，尤其是外部晶振的溫度漂移。使用由晶振誤差與溫度的關係曲線生成的查閱資料表，可在軟體中調整時間。但是，這可能使RTCC程式複雜化，因為須要大型計數器在正確時間應用這些調整。
PIC MCU片上提供的RTCC模組具有一個軟體可重寫暫存器「RCFGCAL」，該暫存器每分鐘自動修改一次計數器值以補償晶振的溫度誤差，且不會在運行時產生軟體負擔。這種校正對於±5ppm室溫誤差以及晶振溫度範圍內±10ppm誤差通常很有效，但前提是須從聲譽良好的時脈晶振廠商謹慎採購元件，才能將元件之間的差異降至最低。如要對元件間的差異進行品質控制，可應用兩點式校正。
要測量RTCC校正的溫度，設計人員可將一個常規結二極體連接到一個類比數位轉換器(ADC)接腳(圖2)。根據充電時間測量單元(Charge Time Measurement Unit, CTMU)中的恆流源，可通過ADC測量二極體上正向電壓的方式來計算溫度。外部二極體成本遠遠低於任何熱敏電阻或其他溫度感測器。
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| 圖2 充電時間測量單元溫度測量電路 |
如果須要為時脈晶振提供更可靠的電流驅動，設計人員可以選擇不同於眾多RTCC模組選項的高功率T1OSC/SOSC電路選項。
PIC18F87J90 MCU內置的LCD驅動器在四複用模式下最高支援192畫素。LCD在休眠模式下仍在工作。抄表員在斷電時可通過IR中斷或按下按鈕來喚醒LCD。
智慧型電表必須能夠承受惡劣的室外環境並抵禦試圖篡改的行為。為此，PIC18 MCU提供從上電重置(Power On Reset, POR)、掉電重置(Brown Out Reset, BOR)和看門狗定時器(WDT)重置等狀態自動恢復功能，避免系統閉鎖。
微芯提供免費PIC18F能量計算韌體，用於計算有功效/無效功率、正向/反向功率、有效/無效/視在功率和RMS電流/電壓。原始程式碼向設計人員開放，供其客製化。
各國智慧型電表應用
在中國，城市輸配電力網中的智慧型電表需要額外的通用型輸入輸出(GPIO)以滿足各種通訊需求。對於不帶PLC的城市輸配電力網T型電表，設計人員可以使用整合LCD、硬體RTCC和帶複用功能的GPIO接腳PIC18F87K90 MCU系列。這些MCU內部振盪器精度在±3%之內，因而毋須使用外部高頻晶振。
土耳其智慧型電表設計人員更願意使用單晶片解決方案，因為這樣可以使電路板空間更小並且設計簡單。PIC18F87J72系列帶有16位元ADC彌補PIC18F87J90系列的不足，同時保持相同的儲存空間和周邊。
在南美、南非、東歐和中東智慧型電表市場中，設計人員希望使用帶12位元ADC外接運放來降低成本。PIC18F87J93系列為設計人員提供整合的12位元連續漸近暫存器(SAR)ADC，同時保持與PIC18F87J90 MCU相同的周邊和功能集。
設計人員可以輕鬆將其設計從智慧型電表擴展到基本電表，以獲得額外市場占有率。這些基本電表需要較小記憶體、較少通訊介面和精度較低的RTCC，因而價格較低。對於巴西和阿根廷基本LCD電表市場，設計人員可以使用PIC18F85J90系列，該系列的快閃記憶體/RAM較小，且具有簡單的基於Timer 1的RTC。
為防止被篡改，南非和巴西的預付費電表放置在電線桿頂部。LCD顯示功能則從電表移至室內顯示單元。為避免不必要的LCD驅動器成本，設計人員應選擇與PIC18F LCD系列具有同等功能但無LCD的元件型號，這些系列提供二十八到八十接腳封裝以及16～128KB快閃記憶體，可滿足各種需求。
設計人員可選擇從單相智慧型電表移植到網路(二相)和三相商用電表，這三種電表都使用相同的PIC18F87J90、K90或J72系列計算有功能量。以單相智慧型電表設計為起點，設計人員可添加一個單相ADC實現網路電表，添加兩個單相AFE實現三相電表。微芯MCP3901 AFE內置延遲模組，可輕鬆實現相移補償。
高性能智慧型電表
高性能智慧型電表需要更強大的CPU處理能力、更多通訊介面和更大的記憶體，但由於要進行大規模電表部署，電表應處於合理價位。作為微芯16位元架構入門級系列，PIC24F MCU非常適合於移植自8位元設計，且提高性能和記憶體的成本敏感型應用。與單相智慧型電表相比，三相商用和工業電表必須支援以下附加功能，測量全部三個相上的電流和電壓、計算用於監視設備效率的功率因數、GSM/GPRS和額外的RS-485通訊、精度更高，例如IEC 0.2類電表。入門級16位元架構PIC24F256GA110系列可帶來經濟高效的性能提升。
如需要更高性能，可將應用輕鬆移植至PIC24H系列，使性能達到40MIPS。通過整合的DMA周邊支持更高效的資料傳輸。對於35級以上的諧波分析，dsPIC DSC系列通過其整合的數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)提供計算能力。
在西歐，支援設備語言報文規範(Device Language Message Specification, DLMS)的AMI電表需要256KB以上的快閃記憶體和16KB以上的RAM。PIC32系列可解決此問題，其快閃記憶體最大為512KB，RAM最大為128KB。PIC32MX6系列還整合通用序列匯流排(USB)、乙太網、用於外接記憶體的並行主埠以及用於附加通訊的額外串列埠，可實現資料集中器設計。此外，PIC32 MCU還非常適合於電動車充電站應用的開發。PIC32系列基於功能強大的MIPS32 M4K核心。
對於基於網路的家庭能源監視，智慧型電表必須將功耗資料發送到安全伺服器。PIC MCU平台可通過其16位元和32位元架構，以及免費的TCP/IP協定堆疊來支援此功能。例如，設計人員可以使用PIC24F/PIC24H/dsPIC或PIC32 MCU，以及整合Google PowerMeter API的免費TCP/IP協定堆疊製造相容Google PowerMeter的智慧型電表。
16位元PIC24F/PIC24H/dsPIC和32位元PIC32 MCU之間可共用周邊。因此，設計人員可以輕鬆從一種微控制器方案移植到另一種，並在統一的MPLAB IDE下重用C語言程式碼，從而確保各種高性能電表快速上市。
MPLAB IDE是一款免費的整合工具套件，用於對採用微芯的PIC MCU和dsPIC DSC微控制器的嵌入式應用進行開發。該IDE以32位元應用程式的形式運行於微軟(Microsoft)的Windows作業系統，使用簡便並且包含眾多免費軟體元件，可快速開發應用，並且具有理想的除錯功能。MPLAB C編譯器針對所有PIC MCU和DSC對C語言程式設計進行高度最佳化。
未來需求和可能的解決方案
智慧計量方案在各個方面持續發展。未來的需求和解決方案將根據各個市場領域的需求而變化。預計低端智慧型電表將須要通過提高整合度進一步降低系統成本。可採用整合LCD、額外串列埠(如四個以上的硬體UART)，還可能整合帶有時脈晶振的硬體RTCC的一百接腳MCU。此外，預計更高性能的智慧型電表將需要更高級別的安全性和更大的記憶體。可能的解決方案包括帶有LCD、AES-128周邊和DMA周邊並支援向1MB以上快閃記憶體程式記憶體移植的16位元/32位元MCU。
不同地理區域的智慧計量解決方案不盡相同，並且隨時間推移而不斷變化。設計人員需要以盡可能最低的成本提供最佳且上市最快的解決方案。微芯平台提供跨8位元/16位元/32位元架構的完整解決方案，並且所有解決方案均在統一的IDE下開發，從而使該設想成為可能。設計人員只須維護最少量的軟體程式，即可保證程式能在不同的專案中重用，這避免因設計在不同市場和專案中的應用，而多次購買軟體庫和開發工具許可證，從而節省公司的整體投資。