智能電表設計：熱分配表扮演一個什么樣的角色？

熱分配表（HCA）是智能電子設備，其在使用集中、輻射供暖系統(tǒng)的多層住宅建筑物中通過獨立裝置測量熱能。這種測量用于分配操作中央加熱系統(tǒng)的總成本。

HCA可能是市場上最“簡單”（在功能方面）的分項計量裝置，并具有極低的功耗預算：平均只有幾微安。通常來講，HCA中的微控制器（MCU）運行一個實時時鐘（RTC）；控制低功率段LCD（通常50-100段）；定期讀取兩個溫度傳感元件；并定期運行RF傳輸，其傳播最新的HCA讀數(shù)和其它數(shù)據(jù)。多數(shù)情況下，一個雙向紅外（IR）通信端口可將移動讀數(shù)裝置連接到IR端口，以讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入HCA裝置。

HCA最重要的設計考慮因素

正如每個大容量應用一樣，單位成本（包括物料清單[BOM]和制造成本）是一個重要的設計考慮因素。系統(tǒng)設計所消耗的最低能量將減少產(chǎn)品壽命周期所需的電池大小，并降低系統(tǒng)成本。

實施我上面列出的相對簡單的HCA功能時，若它們都需在一個單一的主鋰亞硫酰氯或鋰二氧化錳電池（能力處在900mAh至1.2AH范圍）運行12年以上時，這將變得更具挑戰(zhàn)性。電池若想獲得如此壽命，需要一個專注HCA各個功能超低功耗的高度優(yōu)化的硬件和軟件設計。例如，一個集成的SAR ADC（若低功率的ADC模塊可用）可以測量NTC元件或LMT70A CMOS傳感器的溫度；因此可通過模擬比較器進行斜率轉換，這在應用報告“通過斜坡A / D轉換實現(xiàn)一個超低功耗的溫控器”中所述。

早期HCA產(chǎn)品基于兩種芯片解決方案：超低功耗MSP430? MCU和射頻鎖相環(huán)（PLL），我們稱之為第一代HCA。第二代設備采用更先進的微控制器（如閃存或基于FRAM的MSP430 MCU），連同集成射頻發(fā)射器設備（如TI的低于1GHz CC115L或CC1175的解決方案），或者只是用集成RF的單芯片CC430 MCU。

雖然雙向RF通信對于HCA來講并非強制項，但有時使用它時基于專有的RF協(xié)議，用于將數(shù)據(jù)從一個HCA傳送到另一個HCA。自2005年發(fā)布歐洲wM-總線標準（EN13757-4）以來，目前市場上的許多計量和分項計量HCA產(chǎn)品使用wM總線作為射頻協(xié)議，盡管許多專有協(xié)議仍處在433和868 ISM頻帶。

一些供應商提供多協(xié)議HCA，支持其專有的RF協(xié)議與通用wM總線S、T和C模式并行。這種情況下，應用程序中的閃存/ FRAM大小和RAM資源需求顯著增加。諸如MSP430FR9672 MCU系列的FRAM基MCU可動態(tài)地移動程序代碼大小和RAM大小之間的分區(qū)，從而提供與閃存基MCU相比所具有的一些成本優(yōu)勢，這需要更大的內(nèi)存導數(shù)。

十多年來，TI一直是HCA市場的先鋒，而MSP430F4xx系列為性能和MCU超低功耗設定了規(guī)則。隨著現(xiàn)有MCU產(chǎn)品功能在過去五到六年中得到顯著改善，通過閃存技術ARM基MCU架構現(xiàn)也能夠滿足HCA功率和系統(tǒng)要求。

TI最近在HCA市場推出了幾款FRAM基MCU參考設計。這是第二代的型式設計。用于熱分配表的匹配精密溫度傳感參考設計（TIDA-00646）分析溫度測量子系統(tǒng)，并通過高精度匹配模擬CMOS傳感器（LMT70A）取代傳統(tǒng)NTC傳感器提供了一種新途徑。

閃存基SimpleLink? Sub-1GHz CC1310無線MCU采用集成的超低功耗傳感器控制器外設，包括一個SAR ADC12模塊，通過最小功率預算打開電源并讀取LMT70A傳感器。

智能電表設計：熱分配表扮演一個什么樣的角色？

圖1：TIDA-00646和TIDA-00838框圖

通過將相同的PCB用作HCA的匹配精密溫度傳感參考設計，wM總線頻段處在868 MHz的熱分配表參考設計（TIDA-00838）使用雙傳感器測量法的EN834標準進一步擴展了HCA系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。

這兩種參考設計在+20至+ 85℃溫度范圍內(nèi)無需任何校準即可實現(xiàn)優(yōu)于0.5℃的精度，即使使用不匹配的（LMT70）溫度傳感器。使用LMT70A（匹配的CMOS溫度傳感器類型）完全消除了制造過程中的校準需求，并降低了制造成本。CC1310無線MCU還在868MHz頻段為S、T和C模式（儀表設備）提供無線wM總線支持，并可下載開源代碼示例。

MSP430FR4133 MCU運行HCA應用程序代碼和RTC，并控制一個96段LCD，它總是處在啟動狀態(tài)。包括wM-總線電報的周期性RF傳輸在內(nèi)的所有這些任務通過關閉分段LCD顯示器，并每隔4秒進行溫度感測（4秒比平常更頻繁的字段）減少3.2μA的電流。

HCA的未來前景如何？

半導體技術的近期發(fā)展表明，第三代HCA設備將是一種具有更低功耗的單芯片解決方案，可進一步減小電池尺寸，并可能集成XTALs（32.768kHz睡眠模式或24MHz RF系統(tǒng)時鐘）進而減少額外的BOM成本。通過集成用于換衡器和射頻匹配件的無源元件，節(jié)約總成本是可能的（因此BOM成本也會降低），這可實現(xiàn)更簡單和更快速的設計和制造。一些未來的HCA產(chǎn)品甚至可以使用雙頻段解決方案，其可提供一個Sub-1 GHz和Bluetooth?低功能協(xié)議連接，通過Bluetooth?啟用低功耗的智能手機或平板電腦可更方便地讀取和配置。

即使出現(xiàn)相關的額外費用，新的射頻通信技術可能有助于降低HCA的總擁有成本。建設和維護自動讀取和計費的基礎設施的成本大大降低抵銷了不斷增加的HCA裝置成本，以支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）（如SIGFOX）的遠程協(xié)議。通常來講，此類基礎設施包括多電池供電網(wǎng)關（或數(shù)據(jù)收集器），其可在它們之間進行通訊并合計讀出值送至后勤部門。SigFox技術可作為一個合適選項改變?nèi)缃癫渴鸬某汕先f的HCA裝置的讀數(shù)。

雖然TIDA-00838參考設計是一個極佳的HCA解決方案，但兩個MCU設備的成本高于一個設備的成本。為了實現(xiàn)第三代HCA解決方案，TI已經(jīng)開發(fā)了一種創(chuàng)新的專利申請中的解決方案，其中增加幾個電阻和優(yōu)化的GPIO控制軟件可增加分段LCD的功能。分段LCD的GPIO驅(qū)動解決方案在任何應用（需要分段LCD但無需始終啟動）中都非常有用。許多HCA和熱量表、恒溫器，以及其他各種IoT應用也是如此。LCD顯示器本身多數(shù)情況下被關閉，僅在需要時激活，這是因為當LCD被啟用（或可見）時，軟件方法參考設計的電流消耗處在300μA的范圍內(nèi)。

傳感器控制器核心每一秒都在天線連接器附近的小圓形區(qū)域（參見圖2）檢查觸控事件，以激活LCD。即使LCD處于關閉狀態(tài)，CC1310平均電流是644nA（正在運行電容觸摸傳感器任務）。

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