智能电表设计中的热分配表的重要性

2016-10-23

热分配表（HCA）是智能电子设备，其在使用集中、辐射供暖系统的多层住宅建筑物中通过独立装置测量热能。这种测量用于分配操作中央加热系统的总成本。

HCA可能是市场上最“简单”（在功能方面）的分项计量装置，并具有极低的功耗预算：平均只有几微安。通常来讲，HCA中的微控制器（MCU）运行一个实时时钟（RTC）；控制低功率段LCD（通常50-100段）；定期读取两个温度传感元件；并定期运行RF传输，其传播最新的HCA读数和其它数据。多数情况下，一个双向红外（IR）通信端口可将移动读数装置连接到IR端口，以读取数据或将数据写入HCA装置。

HCA最重要的设计考虑因素

正如每个大容量应用一样，单位成本（包括物料清单[BOM]和制造成本）是一个重要的设计考虑因素。系统设计所消耗的最低能量将减少产品寿命周期所需的电池大小，并降低系统成本。

实施我上面列出的相对简单的HCA功能时，若它们都需在一个单一的主锂亚硫酰氯或锂二氧化锰电池（能力处在900mAh至1.2AH范围）运行12年以上时，这将变得更具挑战性。电池若想获得如此寿命，需要一个专注HCA各个功能超低功耗的高度优化的硬件和软件设计。例如，一个集成的SAR ADC（若低功率的ADC模块可用）可以测量NTC元件或LMT70A CMOS传感器的温度；因此可通过模拟比较器进行斜率转换，这在应用报告“通过斜坡A / D转换实现一个超低功耗的温控器”中所述。

早期HCA产品基于两种芯片解决方案：超低功耗MSP430™ MCU和射频锁相环（PLL），我们称之为第一代HCA。第二代设备采用更先进的微控制器（如闪存或基于FRAM的MSP430 MCU），连同集成射频发射器设备（如TI的低于1GHz CC115L或CC1175的解决方案），或者只是用集成RF的单芯片CC430 MCU。

虽然双向RF通信对于HCA来讲并非强制项，但有时使用它时基于专有的RF协议，用于将数据从一个HCA传送到另一个HCA。自2005年发布欧洲wM-总线标准（EN13757-4）以来，目前市场上的许多计量和分项计量HCA产品使用wM总线作为射频协议，尽管许多专有协议仍处在433和868 ISM频带。

一些供应商提供多协议HCA，支持其专有的RF协议与通用wM总线S、T和C模式并行。这种情况下，应用程序中的闪存/ FRAM大小和RAM资源需求显著增加。诸如MSP430FR9672 MCU系列的FRAM基MCU可动态地移动程序代码大小和RAM大小之间的分区，从而提供与闪存基MCU相比所具有的一些成本优势，这需要更大的内存导数。

十多年来，TI一直是HCA市场的先锋，而MSP430F4xx系列为性能和MCU超低功耗设定了规则。随着现有MCU产品功能在过去五到六年中得到显著改善，通过闪存技术ARM基MCU架构现也能够满足HCA功率和系统要求。

TI最近在HCA市场推出了几款FRAM基MCU参考设计。这是第二代的型式设计。用于热分配表的匹配精密温度传感参考设计（TIDA-00646）分析温度测量子系统，并通过高精度匹配模拟CMOS传感器（LMT70A）取代传统NTC传感器提供了一种新途径。

闪存基SimpleLink™ Sub-1GHz CC1310无线MCU采用集成的超低功耗传感器控制器外设，包括一个SAR ADC12模块，通过最小功率预算打开电源并读取LMT70A传感器。

图1：TIDA-00646和TIDA-00838框图

通过将相同的PCB用作HCA的匹配精密温度传感参考设计，wM总线频段处在868 MHz的热分配表参考设计（TIDA-00838）使用双传感器测量法的EN834标准进一步扩展了HCA系统的软件实现。

这两种参考设计在+20至+ 85℃温度范围内无需任何校准即可实现优于0.5℃的精度，即使使用不匹配的（LMT70）温度传感器。使用LMT70A（匹配的CMOS温度传感器类型）完全消除了制造过程中的校准需求，并降低了制造成本。CC1310无线MCU还在868MHz频段为S、T和C模式（仪表设备）提供无线wM总线支持，并可下载开源代码示例。

MSP430FR4133 MCU运行HCA应用程序代码和RTC，并控制一个96段LCD，它总是处在启动状态。包括wM-总线电报的周期性RF传输在内的所有这些任务通过关闭分段LCD显示器，并每隔4秒进行温度感测（4秒比平常更频繁的字段）减少3.2μA的电流。

HCA的未来前景如何？

半导体技术的近期发展表明，第三代HCA设备将是一种具有更低功耗的单芯片解决方案，可进一步减小电池尺寸，并可能集成XTALs（32.768kHz睡眠模式或24MHz RF系统时钟）进而减少额外的BOM成本。通过集成用于换衡器和射频匹配件的无源元件，节约总成本是可能的（因此BOM成本也会降低），这可实现更简单和更快速的设计和制造。一些未来的HCA产品甚至可以使用双频段解决方案，其可提供一个Sub-1 GHz和Bluetooth®低功能协议连接，通过Bluetooth®启用低功耗的智能手机或平板电脑可更方便地读取和配置。

即使出现相关的额外费用，新的射频通信技术可能有助于降低HCA的总拥有成本。建设和维护自动读取和计费的基础设施的成本大大降低抵销了不断增加的HCA装置成本，以支持物联网（IoT）（如SIGFOX）的远程协议。通常来讲，此类基础设施包括多电池供电网关（或数据收集器），其可在它们之间进行通讯并合计读出值送至后勤部门。SigFox技术可作为一个合适选项改变如今部署的成千上万的HCA装置的读数。

虽然TIDA-00838参考设计是一个极佳的HCA解决方案，但两个MCU设备的成本高于一个设备的成本。为了实现第三代HCA解决方案，TI已经开发了一种创新的专利申请中的解决方案，其中增加几个电阻和优化的GPIO控制软件可增加分段LCD的功能。分段LCD的GPIO驱动解决方案在任何应用（需要分段LCD但无需始终启动）中都非常有用。许多HCA和热量表、恒温器，以及其他各种IoT应用也是如此。LCD显示器本身多数情况下被关闭，仅在需要时激活，这是因为当LCD被启用（或可见）时，软件方法参考设计的电流消耗处在300μA的范围内。

传感器控制器核心每一秒都在天线连接器附近的小圆形区域（参见图2）检查触控事件，以激活LCD。即使LCD处于关闭状态，CC1310平均电流是644nA（正在运行电容触摸传感器任务）。