瑞萨低功耗的MCU、更安全、更丰富的外围器件的智能电表解决方案

[导读] 智能仪表是智能电网构筑过程中不可或缺的一部分。原先的电能表一般采用机械式结构，而智能仪表采用的是电子式结构，因此对半导体的性能要求及对它作为一个新兴市场的期待都颇高。此外，可延长电池驱动时间的低功耗工作、信息及付费等通信安全也将成为重要因素。因此下面我们就将以智能仪表的发展趋势及存在的课题进行说明，并就此介绍瑞萨电子在智能仪表方面的解决方案。 关键词：HAN系统智能电表智能电网

智能仪表是智能电网构筑过程中不可或缺的一部分。原先的电能表一般采用机械式结构，而智能仪表采用的是电子式结构，因此对半导体的性能要求及对它作为一个新兴市场的期待都颇高。此外，可延长电池驱动时间的低功耗工作、信息及付费等通信安全也将成为重要因素。因此下面我们就将以智能仪表的发展趋势及存在的课题进行说明，并就此介绍瑞萨电子在智能仪表方面的解决方案。

根据地区与公共事业单位的不同而构建不同测量单元

全面普及对电、水、气等使用情况进行记录，并带有通信功能的智能仪表，是构筑智能电网的首要前提。过去，电表的作用只是为了通过远程抄表来提高用电量统计工作的效率，以及防止盗电行为。但是随着用电量可视化带来的省电节能备受关注外，为了通过智能电网构筑分散型电源而担任基础作用，及把握电力需求的详细信息来防止停电等多种需求在全球不断扩大。尤其由于过去各类电能表均采用机械式构造，而智能仪表则采用了电子式构造，因此人们对智能仪表中的半导体性能及智能仪表带来的新市场越发期待。

智能仪表由测算单元、通信单元及开关单元3部分构成。（图1）测算单元的主要是对用电量以及相关费用的统计。通信单元则用于与公共事业单位的通信。开关单元，顾名思义即为控制电或气等的供给。以智能电表为例，它由测算电流/电压的测量部分、及以它为基础进行电力、费用计算的MCU部分、显示部分、保存费用信息的EEPROM、使通信单元的连接处于绝缘状态的光耦合器等构成。然而，由于地区及公共事业单位的不同，对智能仪表的开发思路也大不相同。这导致了智能仪表的内部构成分为了3 种类型，而智能仪表的主要构成部分MCU也在操作和性能上有很大的区别。

图1：面向智能电表的测量单元系统框图和构成例

第一种是通过MCU的软件只对费用进行计算处理。这种电表由于其只需基本的计算功能，因此一般只需采用8位MCU即可。同时，由于这种电表几乎全部利用硬件进行处理，因此也可实现低功耗。此外，此类电表存储器尺寸小、成本低、无需开发电力测量相关功能，因而可缩短开发周期。尤其对于偏向短开发周期的中国市场而言具有很大优势。

第二种是电力运算也要通过软件来进行。这种电表需要高速的16位MCU。与第一种相比，灵活性更高。对于拥有丰富软件开发人材的印度市场来说非常合适。

第三种则要用MCU的A/D板进行感应，通过软件进行滤波处理、电力运算、费用处理等。为了实现更高的灵活性，通过更改软件可支持普通家庭用单相电源和面向工业的三相电源。只是，由于被要求具备更高运算能力，所以需要32位且具备DSP功能的MCU。因此在重视开发效率与附加服务的美国与欧洲市场需求很高。

由于测量单元的多样化构成，与之对应的MCU产品也大相径庭。而瑞萨电子却拥有可对应上述各种类型电表的MCU产品线。例如，针对第一类电表，瑞萨电子拥有 R8C及具备单相电力运算单元的78K0等产品。针对第二和第三类，拥有78K0R、V850、H8S以及即将推广的RX200等产品。（图2）瑞萨电子可提供以主要组成部分的MCU为中心，包括测算电流/电压的测量部分、显示部分、可保存费用信息的EEPROM、以及拥有许多其他功能的IC、功率器件等在内的智能仪表解决方案。

图2：面向仪表的MCU发展蓝图

以标准产品和ASIC来支持多种通信单元

根据通信地点，通信单元一般有2个系统。一个系统是用于将费用信息传输给公共事业单位的Neighborhood Area Network（NAN）；另一个则是智能仪表在用户家中实现网关时所需的Home Aria Network（HAN）。

首先，根据使用地区的不同，NAN系统拥有电力线通信和无线通信2种方式。在美国主要以900MHz频带的网格通信为主，而在中国和欧洲则是以电力线通信为主。日本国内目前主要以无线通信为主流，但也在考虑是否采用特定小功率、950MHz、PHS等。

另一方面，HAN系统则有可能采用WiFi、ZigBee、6LoWPAN、Z-Wave等无线方式或电力线通信、EtherNet等有线方式。

因此，上述通信单元所需要的半导体也因为公共事业单位及地区的差异有所不同。为了对应这种情况，瑞萨电子目前正在开发面向标准产品的辅助千兆赫兹频带无线 IP内核和多调制IP内核。更有ASIC可供选择。瑞萨电子可在短时间内根据客户所需的通信方式定制完全符合需求的产品。而就ASIC而言，由于其所采用的先进工艺，也可完全实现低功耗需求。

硬件加密引擎与防篡改功能使安全性能得到提升实现安心、安全

然而，在仪表具备了通信功能后，也出现了弊端。其中最令人担忧的问题就是遭受黑客攻击。通信遭到攻击后电网的命脉停止的话可能会导致严重灾害。而解决这个问题的关键在于进行通信加密。这其中则涉及到2个要素，路由器等产品对“防通信攻击的高度加密技术”，以及为了防止仪表内部被攻击而进行MCU内部信息加密的“防篡改功能”。而瑞萨电子同时拥有实现安全传输所需的高度硬件加密引擎和高度防篡改功能2种技术。这对一个半导体厂商来说具有超强优势。正因为有了这些技术，瑞萨电子即将推出客户所要求的搭载安全性能的NAN系统。[!--empirenews.page--]

此外，由于拥有EEPROM、光耦合器等外围器件，瑞萨电子几乎可以提供智能仪表所需的所有主要半导体产品。今后，瑞萨电子也将继续为不断为需求扩大的智能仪表提供更多解决方案。