解讀安森美遠(yuǎn)程抄表M-Bus方案

如今，全球能源需求不斷增加，加速消耗現(xiàn)有資源，促使各國政府制定更積極的節(jié)能目標(biāo)和更嚴(yán)格的高能效標(biāo)準(zhǔn)，由此產(chǎn)生一系列的積極影響。如傳統(tǒng)低能效的白熾燈照明正加速向LED照明過渡，傳統(tǒng)電網(wǎng)向的智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)過渡，傳統(tǒng)汽車向電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車過渡，以及高能效電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)越來越受重視。

以智能電網(wǎng)為例，它是完全自動(dòng)化的分布式供電系統(tǒng)(從發(fā)電到用電)，集成了雙向通信智能電表及信息技術(shù)，旨在提升能效及可持續(xù)的電力服務(wù)。智能電網(wǎng)涉及電力、通信及應(yīng)用等多個(gè)層次，涵蓋家庭區(qū)域網(wǎng)(HAN)、鄰域網(wǎng)(NAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同類型。雙向通信智能電表的部署，有助于推動(dòng)以HAN為基礎(chǔ)的智能家庭市場的增長。消費(fèi)者重視通過智能手機(jī)及平板電腦進(jìn)行任務(wù)操作的便利性，智能家庭的趨勢就是使消費(fèi)者能夠透過這些設(shè)備來控制家中智能電器。應(yīng)用智能技術(shù)的電器制造商能夠提供家庭能源管理服務(wù)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作。消費(fèi)者也需要根據(jù)智能電表及公用事業(yè)機(jī)構(gòu)浮動(dòng)收費(fèi)來認(rèn)識(shí)智能電器的顯著節(jié)電價(jià)值。

圖1：智能電網(wǎng)概念示意圖。

安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，積極推動(dòng)高能效創(chuàng)新，為智能電網(wǎng)、智能家庭、智能樓宇控制等應(yīng)用提供多種通信及安全保護(hù)方案。

1) 智能電表PLC通信方案

在智能電網(wǎng)中，雙向通信的智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用，一方面幫助電力機(jī)構(gòu)精確了解用戶的用電規(guī)律，為高峰用電或低谷用電設(shè)定差異化的電價(jià)，另一方面，用戶也可以合理調(diào)整自己的用電計(jì)劃，從而優(yōu)化電費(fèi)支出。智能電表包含不同功能模塊，除了電源和計(jì)量模塊外，還涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，需采用安全可靠的存儲(chǔ)器;此外，雙向?qū)崟r(shí)通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關(guān)重要，需要選擇適合的通信方式及相應(yīng)的最佳解決方案。

圖2：智能電表關(guān)鍵功能模塊。

就家庭或建筑物中的智能電表到數(shù)據(jù)集中器(concentrator)就這一段的網(wǎng)絡(luò)連接而言，它們通常對(duì)通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本。常見的通信方式有無線網(wǎng)絡(luò)，或有線的電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網(wǎng)實(shí)際狀況等因素，同時(shí)先行先試國家的做法也會(huì)提供借鑒意義。

就安森美半導(dǎo)體而言，我們與數(shù)家大型歐洲及亞洲電表和公共事業(yè)機(jī)構(gòu)建立有悠久的協(xié)作及公共合作關(guān)系，幫助我們針對(duì)特定終端市場定義及調(diào)整器件設(shè)計(jì)。我們?cè)谑澜绺鞯仉姳響?yīng)用中部署了500多萬個(gè)PLC器件，包括法國EDF旗下公司法國配電公司(ERDF)的Linky智能電表項(xiàng)目，以及中國上海外灘基于 PLC的智能路燈方案中。

圖3：使用安森美半導(dǎo)體PLC調(diào)制解調(diào)器方案的典型自動(dòng)抄表(AMR)應(yīng)用。

安森美半導(dǎo)體的PLC產(chǎn)品及方案包括AMIS49587、NCN49597等調(diào)制解調(diào)器，NCS5650功率放大器，以及集成了PLC調(diào)制解調(diào)器和功率放大器的NCN49599系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)等。其中，NCS5650提供市場上最高的PLC驅(qū)動(dòng)能力，NCN49597和NCN49599提供重要突破及可用于后續(xù)產(chǎn)品的方案。安森美半導(dǎo)體的PLC調(diào)制解調(diào)器系列符合公用事業(yè)機(jī)構(gòu)要求，符合IEC61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)，提供不同供應(yīng)商之間的互操作性能力。

以NCN49599為例，這器件為窄帶PLC通信提供整體方案。NCN49599集成了低能耗32位ARM Cortex M0處理器及高精度模擬前端和AB類功率放大器，成本更低，用于智能電表/分體式電表、建筑物自動(dòng)化、太陽能發(fā)電、路燈及工業(yè)控制等應(yīng)用。 NCN49599基于雙4，800波特S-FSK通道技術(shù)，提供市場上最高的每通道波特率，優(yōu)化了能效和性能，同時(shí)提供極佳的強(qiáng)固性和可靠性。它包含可編程嵌入式軟件(32 kB)，可配合現(xiàn)場升級(jí)，并能夠嵌入客戶專用協(xié)議及要求。它提供現(xiàn)成的IEC61334-5-1及定制PL110(PHY+MAC+LLC)堆棧，支持多種標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用。這器件提供多載波選擇，用于提供更高速度及強(qiáng)固性。NCN49599支持Cenelec A至D頻段可編程載波頻率，支持150 kHz的更寬頻段，用于智能電網(wǎng)應(yīng)用。這器件包含10個(gè)GPIO，易于連接至LED、LCD、儀表IC等外設(shè)。它采用QFN56 8 x 8 mm封裝，支持-40至+125℃的結(jié)點(diǎn)溫度范圍。

圖4：NCN49599 S-FSK PLC調(diào)制解調(diào)器典型應(yīng)用電路圖。

2) 遠(yuǎn)程抄表M-Bus方案

在智能家庭及工業(yè)市場，遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用快速增長。安森美半導(dǎo)體配合這應(yīng)用需求，推出用于雙線式儀表總線(M-BUS)從機(jī)及中繼器的NCN5150單芯片集成從收發(fā)器，用于多能源、供暖/冷氣表、水表、燃?xì)獗淼葢?yīng)用。這收發(fā)器利用安森美半導(dǎo)體先進(jìn)的混合信號(hào)技術(shù)訣竅，為這些應(yīng)用提供所要求的性能等級(jí)，不僅符合標(biāo)準(zhǔn)，還提供強(qiáng)固性、高能效、速度和靈活性。

圖5：M-Bus應(yīng)用示意圖。

NCN5150提供符合描述M-BUS物理層要求的EN 13757-2和EN 1434-3標(biāo)準(zhǔn)所要求的全部功能，提供達(dá)38，400波特(baud)的通用異步接收器/發(fā)射器(UART)通信速度，包含達(dá)2個(gè)單位負(fù)載(SOIC封裝版本)或6個(gè)單位負(fù)載(QFN封裝版本)的可編程功率等級(jí)，可通過集成的3.3 V低壓降(LDO)穩(wěn)壓器用于外部電路。低內(nèi)部能耗使應(yīng)用中傳感器能夠獲得更多電能，而低壓總線工作(低至9.2 V)配合在擴(kuò)展型M-BUS網(wǎng)絡(luò)中工作。

圖6：針對(duì)遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用的NCN5150單芯片集成M-Bus從收發(fā)器典型應(yīng)用電路圖。