很多時候，開發(fā)計量芯片的設計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現(xiàn)設計問題，使產(chǎn)品因為小的設計缺陷而無法用于最終解決方案。 

　　本文將介紹計量SoC設計中的一些主要問題，并提出一些能夠實現(xiàn)預期目標的解決方案。同時，本文還使SoC設計人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應對并設計出有效的解決方案。 

　　挑戰(zhàn)1：精確度 

　　精確度是計量應用獲得成功的關鍵，因為服務提供商絕不會采用無法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來說尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會增加最終解決方案的價格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應氣體流的速度。 

　　這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數(shù)字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數(shù)字接口，因此整體精度對SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。 

　　另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)以及片上AFE(模擬前端)對電壓和電流的測量精度。 

　　因此，對于燃氣/水流量表來說，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對于電表，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進行討論。 

　　模擬前端(AFE)從客戶的角度來說，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結果決定SoC的可擴展性。 

    模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術對輸入進行采樣，并執(zhí)行轉換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應用。 

　　然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環(huán)境中使用。因此，根據(jù)ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過濾噪聲。同時，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間-穩(wěn)定ADC以給出準確轉換值所需的時間。 

　　因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會導致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。 

　　負載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運算。確定輸入負載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。 

　　家庭/工業(yè)/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進行測量。 

　　電流和電壓測分流電阻器技術使用放置在負載電流線路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應的電流消耗。 

　　電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負載電流(已消耗電流)磁通在二級CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過負載電阻器，將其轉換成相應的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。 

　　Rogowski線圈是另一種測量電流的方法。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個積分器獲得相應電流值的原因。 

　　對比上述三種方式，分流電阻器技術是最便宜的；然而，該技術很難滿足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術測量更多的電流，然而，它們本身也存在問題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問題。 

　　第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問題。 

　　然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點�？紤]到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術主要用于消費/住宅應用，Rogowski線圈在工業(yè)應用中的使用更廣泛。 

　　挑戰(zhàn)2：電流消耗  

　　SoC的電流消耗是影響應用/解決方案的電池壽命的主要因素。因此，在電池供電模式下運行的應用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃氣計/流量計不與電源直接連接。  量的比例因子是不變的，因此可以進行適當?shù)挠嬎�。這種“電流測量”過程的一個限制是需要有能夠直接測量電流的低成本ADC。 

　　另一種選擇是使用已知的負載電阻將該電流轉換成相應的電壓，然后通過ADC測量該電壓，它對應于實際的電流消耗。這為電流測量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術可用于電流測量。一些使用最廣泛的技術包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器

    因此，它們只能由電池進行供電。因此，與電表相比，這些應用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因為計量表的平均使用壽命約為15年，客戶當然不希望每隔幾年就更換電池。 

　　因此，與電表相比，燃氣/流量計應用對這些限制更加敏感。在典型燃氣/流量計解決方案中，儀表大多數(shù)時間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數(shù)值，并可能重置脈沖計數(shù)器等。 

　　另外，燃氣/水/熱量的消耗模式不同于電能，因為它們不像電那樣無時無刻不在使用。因此，內(nèi)核不必總是處于通電狀態(tài)�！暗凸β誓Ｊ诫娏鳌睂�扮演重要的角色。許多公司認為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機電流)。 

　　另一個關注領域是SoC的啟動時間及相關的電流消耗。由于應用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關鍵。因此，此類SoC中使用的內(nèi)核比處理速度等其它因素更加重要。 

　　挑戰(zhàn)3：安全、防護和檢測  

　　安全性、篡改保護和檢測性能主要取決于最終應用的復雜性。滿足這項要求可以很簡單，只需要能夠檢測到是否有人試圖打開儀表蓋，或是否非法訪問SoC并更改計費軟件。 

　　但是，也可能會非常復雜，要讓連接以太網(wǎng)的儀表能夠防止黑客攻擊或保護儀表中的用戶數(shù)據(jù)，這是GPRS/CDMA/ZigBee網(wǎng)絡解決方案的一部分。這些要求存在很大的差異，因為計量能夠或應該能夠支持不同類型的解決方案。 

　　對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網(wǎng)絡的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動進行的，對安全性、防護和檢測的要求會很低，因為攻擊單個儀表不會影響其它儀表。因此，服務提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。 

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