CN103576031B - 一种能效业务专用芯片及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能效业务专用芯片及其应用方法，所述芯片包括电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核通过片内总线相连接；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核集成在一片芯片上，本发明在单一芯片内具备传感、测量、处理、通信、安全等功能，可以实现电量数据采集、电能质量分析、非电量数据采集、微功率无线或者PLC通信、数据安全加密等功能；且具有低成本、高性能、低功耗以及多功能集成的特点。
Description
技术领域
本发明属于能效领域，具体涉及一种能效业务专用芯片及其应用方法。
背景技术
相关芯片技术在物联网领域世界各国都是重点研究对象，而我国物联网“十二五”发展规划中，明确提出协同开展感知技术、传输技术、处理技术、安全技术的研究与应用，加强核心芯片研发与生产能力，并着力推动其在能源、环保等领域的应用服务。
另一方面，国内外关于节能领域设备繁多，特别是随着我国对节能领域先进产品和技术的大力推广，以及国内电能服务产业的不断发展和壮大，国内与电力能效监测系统相关的电力能效监测终端、通信协议、系统主站以及相关标准也在不断研究与制定。目前就技术和标准而言，国内可实现能效数据采集及传输的方案有很多，这些方案通常采用多芯片集成设计的模式，对于电能质量分析、非电量信号的采集需要分别使用不同的芯片进行系统设计，这大大提高了系统的应用成本，而且目前的应用产品中对于电能质量分析的专用芯片也不多见，大多需要依靠专用的DSP芯片进行计算，这大大提高了系统设计复杂性，不利于应用厂商快速开发相关产品。现在国外的一些大芯片设计公司，包括TI、ST、Ember、Silicon等也都未提供单一芯片的解决方案实现对谐波等电能质量分析数据及非电量信号的采集，所以目前国内外的单一芯片解决方案都无法满足能效领域中电力能效监测终端的整体功能需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种能效业务专用芯片及其应用方法，其包括电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC(Power Line Carrier，电力线载波)通信模块、射频通信模块、芯片内核与外设和片内总线。其中电能计量模块主要实现电参数模拟量信号的采集、电能计量以及相关电参数的测量功能；非电量采集模块即片内ADC(AnalogDigital Converter，模数转换器)，主要实现对常见模拟量传感器输出信号(如温度、压力、湿度等传感器)的采集，然后在芯片内核结合传感器量程设置等进行非电参数的计算测量；安全模块内集成公钥密码引擎模块、加密算法模块、RNG(RandomNumber Generator，随机数发生器)和其它辅助电路并可提供安全机制的检查功能；PLC通信模块与射频通信模块均用于为芯片提供通信功能；芯片采用高性能内核，内部集成大容量FLASH(非易失性存储器)和高速SRAM(易失性存储器)，并配置丰富外设，支持外部控制和响应中断能力。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种能效业务专用芯片，其改进之处在于，所述芯片包括电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核通过片内总线相连接；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核集成在一片芯片上。
优选的，所述电能计量模块用于电参数模拟量信号的采集、电能计量以及相关电参数的测量；其包括DSP内核、7路19位2阶ADC及ADC数据Buffer；所述DSP内核用于完成各相电流有效值、电压有效值、功率因数、频率和提供各相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量；
所述7路19位2阶ADC采用双端差分信号输入，用于提供三相四线制的电能计量需求；
所述ADC数据Buffer用于同步采样数据，分次谐波分析，无需进行预处理。优选的，所述非电量采集模块用于模拟量传感器输出信号的采集并对非电参数进行计算测量；其包括逐次逼近型ADC；
所述逐次逼近型ADC包括一个比较器和DA转换器。
优选的，所述安全模块用于全机制的检查，其包括随机数发生器、公钥算法引擎单元、加密算法单元、RNG发生电路和辅助电路。
优选的，所述PLC通信模块采用抗干扰性强的OFDM技术，支持DBPSK、DQPSK、D8PSK调制和前向纠错技术，支持电网的可靠数据通信；其集成物理层、媒体访问控制层、可编程陷波机制和6LoWPAN自适应层，用于在群延时、脉冲干扰环境下，与其它窄带发送器协同工作的途径可靠通信。
优选的，所述射频通信模块包括接收机和发射机；
所述接收机用于从众多的电波中选出有用信号，将信号变为基带信号；
所述发射机用于基带信号对中频载波的调制，将其上变频至特定的RF频段后有效的发射出去。
进一步地，所述发射机通过调制、上变频、功率放大和滤波进行对基带信号到射频信号的转换。
优选的，所述芯片内核用于外部控制和响应中断，其包括16位定时器、高速异步收发器、16个可编程I/O端口、通用异步接收/发送器、内嵌电复位电路和内嵌低电压检测及复位电路。
本发明基于另一目的提供的一种能效业务专用芯片应用方法，其改进之处在于，所述方法包括
(1)能效监测终端通过系统身份认证与密码服务器建立链路；
(2)密码服务器与能效监测终端协商会话密钥；
(3)能效监测终端采集用电设备或系统的电气量数据、非电气量数据及环境参数；
(4)能效监测终端将采集到的电气量数据、非电气量数据及环境参数加密；
(5)加密后数据存储在本地能效监测终端并发送至主站服务器；
(6)主站进行解密后展示及分析。
优选的，所述步骤(2)包括密码服务器与能效监测终端双方产生的会话密钥在一定时间后密钥失效，密钥失效后，可通过会话恢复机制，恢复会话密钥。优选的，所述步骤(3)包括能效监测终端采集中定时器按一定时间间隔抄收数据。
优选的，所述步骤(4)包括用获取的加密密钥加密相关数据，获得密文；根据不同的加密要求，进行安全性不同的加密方式。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明面向电力能效监测终端专门开发，在单一芯片内具备传感、测量、处理、通信、安全等功能，可以实现电量数据采集、电能质量分析、非电量数据采集、微功率无线或者PLC通信、数据安全加密等功能。
2、本发明本能效业务专用芯片具有低成本、高性能、低功耗以及多功能集成的特点。
3、本发明能效业务专用芯片内的安全模块采用权威机构认可的密码技术，按照等级保护的要求进行设计，集密码技术、微电子技术和嵌入式技术为一体，非常适于在能源领域应用，保障涉及能源战略、客户隐私等的信息数据可靠安全传输。
4、本发明芯片内置安全模块，根据能效业务的具体防护要求选择权威机构认可的加密算法，对数据进行加密，防止数据泄密、被篡改。
5、本发明在单一芯片上同时集成无线通信与有线通信功能，充分满足能效业务领域现场环境复杂、通信性能功能要求较高的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种能效业务专用芯片内部结构图。
图2为本发明提供的一种能效业务专用芯片非电量采集模块结构图。
图3为本发明提供的一种能效业务专用芯片安全模块结构图。
图4为本发明提供的一种能效业务专用芯片射频通信模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，能效业务专用芯片的内部结构。芯片主要由电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块、芯片内核和外设、片内总线等关键部分组成。
电能计量模块：
主要实现电参数模拟量信号的采集、电能计量以及相关电参数的测量功能，电能计量模块内部集成DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)内核。电能计量模块的ADC采用Σ-Δ原理，内部集成7路19位2阶ADC，采用双端差分信号输入，可满足三相四线制的电能计量需求。模数转换后的数据经数字滤波后输入固定功能DSP核，由DSP核内的算法固件程序完成各相电流有效值、电压有效值、功率因数、频率等参数，同时还能提供各相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量等。电能计量模块内部设计的ADC数据Buffer(缓冲寄存器)，提供同步采样数据，便于分次谐波分析，无需进行预处理。
非电量采集模块：
如图2所示，非电量采集模块即片内ADC，其与电能计量模块内的ADC不同，主要实现对模拟量传感器输出信号(如温度、压力、湿度等传感器)的采集，然后在芯片内核结合传感器量程设置等对非电参数进行计算测量。非电量采集模块的ADC选用逐次逼近型，逐次逼近型ADC由一个比较器和DA(Digital Analog，数模)转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB(Most Significant Bit，最高有效位)开始，顺序地针对每一位将输入电压与内置DA转换器输出电压进行比较，经n次比较而输出数字值(数字值的二进制位数为n)，电路规模适于片内集成实现。该模块设计一个ADC转换器，前端设计多路模拟开关，支持多路双极性单端模拟量输入。
安全模块：
如图3所示，安全模块是实现系统安全体系架构的基础。安全模块按照等级保护的要求进行设计，能够支持国内外权威机构认证的密码技术。安全模块内集成公钥密码引擎、对称加密算法模块、RNG发生电路和其它辅助电路并可提供安全机制的检查功能。
PLC通信模块：
采用抗干扰性强的OFDM技术，支持DBPSK、DQPSK、D8PSK调制和前向纠错技术，支持电网的可靠数据通信。PLC通信模块集成物理层和媒体访问控制层。PLC通信模块设计自适应载频选择算法，能够确保在群延时、脉冲干扰环境下可靠通信。PLC通信模块集成了可编程陷波机制，允许对发送频谱的某个频段进行陷波处理，既保证了兼容性，同时又提供了与其它窄带发送器(例如基于FSK的传统PLC系统)协同工作的途径。
PLC通信模块的MAC集成6LoWPAN自适应层，支持IPv6数据包。增强CSMA/CA和ARQ，结合网络路由协议，可支持各种网络的通用MAC层服务。智能通信机制和增强系统确保在任何信道条件下正常工作。这些机制包括：信道评估、自适应载频分配和网络协议。
射频通信模块：
如图4所示，指接收机和发射机射频前端电路，其中上半部分为接收机电路，下半部分为发射机电路。接收机从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从众多的电波中选出有用信号，并经过低噪声放大到解调器所要求的电平值后，再由解调器解调，将频带信号变为基带信号。
发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制，将其上变频至特定的RF频段，对已调制的RF信号放大，以足够的功率馈入天线，经天线有效的发射出去。发射机的主要功能是通过调制、上变频、功率放大和滤波，来完成基带信号到射频信号的转换。发射机的方案相对接收机要简单很多，其结构大致可以分为两种：一是直接变换法，即将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成；二是两步法，即将调制和上变频分开，先在中频上进行调制，然后再将已调信号上变频到发射的载频上。
芯片内核：
采用ARM公司Cortex-M3系列32位内核，芯片内部集成大容量FLASH和高速SRAM，支持多种丰富外设，具备外部控制和响应中断能力。
芯片内核主要具备以下特性：
两路16位定时器多路PWM波形输出；
两路高速异步收发器；
16个可编程I/O端口，端口具备外部中断能力；
支持1个SPI主从和1个I2C接口；
通用异步接收/发送器；
支持两种低功耗模式，IDLE0模式/IDLE1模式及唤醒操作；
内嵌上电复位电路；
内嵌低电压检测及复位电路；
支持看门狗定时器；
支持在线编程(ISP)接口；
温度适用范围(工业级标准)-40℃～+85℃。
实施例
本发明能效业务芯片应用于能效监测终端、能源管理终端等方面；
1、能效监测终端与权威机构认可的密码技术密码服务器建立链路，通过系统身份认证；
2、系统身份认证通过后，密码服务器和能效监测终端通过服务器上证书和能效集中交互终端证书协商会话密钥；
3、能效监测终端采集用电设备或系统的电气量数据、非电气量数据及环境参数，作为传感网络或测量网络的传感部分，其中定时器可以保证抄收数据按一定时间间隔抄收；
4、能效监测终端将采集来的电气量数据、非电气量数据及环境参数根据安全要求，用获取的加密密钥加密相关数据，获得密文；根据不同的加密要求，有安全性不同的加密方式；
5、加密后数据存储在本地能效监测终端，定时或手动采集到集中终端或主站服务器；或者直接发送到集中终端或主站服务器；
6、主站再进行解密，然后展示和分析，达到能效分析、电能质量分析、电力安全分析等目的。
其中，密码服务器与能效监测终端双方产生的会话密钥在一定时间后密钥失效，密钥失效后，可通过会话恢复机制，恢复会话密钥。
其中，终端与集中终端或主站服务器相连可以利用芯片的PLC通信模块(PLC通信)或射频通信模块(微功率无线通信)通信。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述芯片包括电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核通过片内总线相连接；所述电能计量模块、非电量采集模块、安全模块、PLC通信模块、射频通信模块和芯片内核集成在一片芯片上；
所述电能计量模块用于电参数模拟量信号的采集、电能计量以及相关电参数的测量；其包括DSP内核、7路19位2阶ADC及ADC数据Buffer；
所述DSP内核用于计算各相电流有效值、电压有效值、功率因数及频率并提供各相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量；
所述7路19位2阶ADC采用双端差分信号输入方式，用于满足三相四线制的电能计量需求；
所述ADC数据Buffer用于同步采样数据，便于分次谐波分析，无需进行预处理。
2.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述非电量采集模块用于模拟量传感器输出信号的采集并对非电参数进行计算测量；其包括逐次逼近型ADC；
所述逐次逼近型ADC包括一个比较器和DA转换器。
3.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述安全模块用于全机制的检查，其包括随机数发生器、公钥算法引擎单元、加密算法单元和辅助电路。
4.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述PLC通信模块采用抗干扰性强的OFDM技术，支持DBPSK、DQPSK、D8PSK调制和前向纠错技术，支持电网的可靠数据通信；其集成物理层、媒体访问控制层、可编程陷波机制和6LoWPAN自适应层，用于在群延时、脉冲干扰环境下，与其它窄带发送器协同工作的途径可靠通信。
5.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述射频通信模块包括接收机和发射机；
所述接收机用于从众多的电波中选出有用信号，将信号变为基带信号；
所述发射机用于基带信号对中频载波的调制，将其上变频至特定的RF频段后有效的发射出去。
6.如权利要求5所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述发射机通过调制、上变频、功率放大和滤波进行对基带信号到射频信号的转换。
7.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片，其特征在于，所述芯片内核用于外部控制和响应中断，其包括16位定时器、高速异步收发器、16个可编程I/O端口、通用异步接收/发送器、内嵌电复位电路和内嵌低电压检测及复位电路。
8.如权利要求1所述的一种能效业务专用芯片的应用方法，其特征在于，所述方法包括
(1)包括能效业务专用芯片的能效监测终端通过系统身份认证与密码服务器建立链路；
(2)密码服务器与能效监测终端协商会话密钥；
(3)能效监测终端采集用电设备或系统的电气量数据、非电气量数据及环境参数；
(4)能效监测终端将采集到的电气量数据、非电气量数据及环境参数加密；
(5)加密后数据存储在本地能效监测终端并发送至主站服务器；
(6)主站进行解密后展示及分析。
9.如权利要求8所述的一种能效业务专用芯片的应用方法，其特征在于，所述步骤(2)包括密码服务器与能效监测终端双方产生的会话密钥在一定时间后密钥失效，密钥失效后，可通过会话恢复机制，恢复会话密钥。
10.如权利要求8所述的一种能效业务专用芯片的应用方法，其特征在于，所述步骤(3)包括能效监测终端采集中定时器按一定时间间隔抄收数据。
11.如权利要求8所述的一种能效业务专用芯片的应用方法，其特征在于，所述步骤(4)包括用获取的加密密钥加密相关数据，获得密文；根据不同的加密要求，进行安全性不同的加密方式。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 专用芯片ATT7022C的电参数测量模块设计;黄梦涛等;《单片机与嵌入式系统应用》;20111130(第11期);正文第1节 * |
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| CN103576031A (zh) | 2014-02-12 |
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