一種能效業務專用晶片及其應用方法
2023-10-29 07:13:57
一種能效業務專用晶片及其應用方法
【專利摘要】本發明涉及一種能效業務專用晶片及其應用方法，所述晶片包括電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核通過片內總線相連接；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核集成在一片晶片上，本發明在單一晶片內具備傳感、測量、處理、通信、安全等功能，可以實現電量數據採集、電能質量分析、非電量數據採集、微功率無線或者PLC通信、數據安全加密等功能；且具有低成本、高性能、低功耗以及多功能集成的特點。
【專利說明】一種能效業務專用晶片及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於能效領域，具體涉及一種能效業務專用晶片及其應用方法。
【背景技術】
[0002]相關晶片技術在物聯網領域世界各國都是重點研究對象，而我國物聯網「十二五」發展規劃中，明確提出協同開展感知技術、傳輸技術、處理技術、安全技術的研究與應用，力口強核心晶片研發與生產能力，並著力推動其在能源、環保等領域的應用服務。
[0003]另一方面，國內外關於節能領域設備繁多，特別是隨著我國對節能領域先進產品和技術的大力推廣，以及國內電能服務產業的不斷發展和壯大，國內與電力能效監測系統相關的電力能效監測終端、通信協議、系統主站以及相關標準也在不斷研究與制定。目前就技術和標準而言，國內可實現能效數據採集及傳輸的方案有很多，這些方案通常採用多晶片集成設計的模式，對於電能質量分析、非電量信號的採集需要分別使用不同的晶片進行系統設計，這大大提高了系統的應用成本，而且目前的應用產品中對於電能質量分析的專用晶片也不多見，大多需要依靠專用的DSP晶片進行計算，這大大提高了系統設計複雜性，不利於應用廠商快速開發相關產品。現在國外的一些大晶片設計公司，包括T1、ST、Ember、Silicon等也都未提供單一晶片的解決方案實現對諧波等電能質量分析數據及非電量信號的採集，所以目前國內外的單一晶片解決方案都無法滿足能效領域中電力能效監測終端的整體功能需求。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明提供一種能效業務專用晶片及其應用方法，其包括電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC (Power Line Carrier，電力線載波)通信模塊、射頻通信模塊、晶片內核與外設和片內總線。其中電能計量模塊主要實現電參數模擬量信號的採集、電能計量以及相關電參數的測量功能；非電量採集模塊即片內ADC (AnalogDigital Converter，模數轉換器)，主要實現對常見模擬量傳感器輸出信號(如溫度、壓力、溼度等傳感器)的採集，然後在晶片內核結合傳感器量程設置等進行非電參數的計算測量；安全模塊內集成公鑰密碼引擎模塊、加密算法模塊、RNG (Random Number Generator,隨機數發生器)和其它輔助電路並可提供安全機制的檢查功能；PLC通信模塊與射頻通信模塊均用於為晶片提供通信功能；晶片採用高性能內核，內部集成大容量FLASH(非易失性存儲器)和高速SRAM (易失性存儲器)，並配置豐富外設，支持外部控制和響應中斷能力。
[0005]本發明的目的是採用下述技術方案實現的:
[0006]一種能效業務專用晶片，其改進之處在於，所述晶片包括電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核通過片內總線相連接；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核集成在一片晶片上。[0007]優選的，所述電能計量模塊用於電參數模擬量信號的採集、電能計量以及相關電參數的測量；其包括DSP內核、7路19位2階ADC及ADC數據Buffer ；
[0008]所述DSP內核用於完成各相電流有效值、電壓有效值、功率因數、頻率和提供各相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量；
[0009]所述7路19位2階ADC採用雙端差分信號輸入，用於提供三相四線制的電能計量需求；
[0010]所述ADC數據Buffer用於同步採樣數據，分次諧波分析，無需進行預處理。
[0011]優選的，所述非電量採集模塊用於常見模擬量傳感器輸出信號的採集並對非電參數進行計算測量；其包括逐次逼近型ADC ；
[0012]所述逐次逼近型ADC包括一個比較器和DA轉換器。
[0013]優選的，所述安全模塊用於全機制的檢查，其包括隨機數發生器、公鑰算法引擎單元、加密算法單元、RNG發生電路和輔助電路。
[0014]優選的，所述PLC通信模塊採用抗幹擾性強的OFDM技術，支持DBPSK、DQPSK、D8PSK調製和前向糾錯技術，支持電網的可靠數據通信；其集成物理層、媒體訪問控制層、可編程陷波機制和6LoWPAN自適應層，用於在群延時、脈衝幹擾環境下、與其它窄帶發送器協同工作的途徑可靠通信。
[0015]優選的，所述射頻通信模塊包括接收機和發射機；
[0016]所述接收機用於從眾多的電波中選出有用信號，將信號變為基帶信號；
[0017]所述發射機用於基帶信號對中頻載波的調製，將其上變頻至特定的RF頻段後有效的發射出去。
[0018]進一步地，所述發射機通過調製、上變頻、功率放大和濾波進行對基帶信號到射頻信號的轉換。
[0019]優選的，所述晶片內核用於外部控制和響應中斷，其包括16位定時器、高速異步收發器、16個可編程I/O埠、通用異步接收/發送器、內嵌電復位電路和內嵌低電壓檢測及復位電路。
[0020]本發明基於另一目的提供的一種能效業務專用晶片應用方法，其改進之處在於，所述方法包括
[0021](I)能效監測終端通過系統身份認證與密碼伺服器建立鏈路；
[0022](2)密碼伺服器與能效監測終端協商會話密鑰；
[0023](3)能效監測終端採集用電設備或系統的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數；
[0024](4)能效監測終端將採集到的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數加密；
[0025](5)加密後數據存儲在本地能效監測終端並發送至主站伺服器；
[0026](6)主站進行解密後展示及分析。
[0027]優選的，所述步驟(2)包括密碼伺服器與能效監測終端雙方產生的會話密鑰在一定時間後密鑰失效，密鑰失效後，可通過會話恢復機制，恢復會話密鑰。
[0028]優選的，所述步驟(3)包括能效監測終端採集中定時器按一定時間間隔抄收數據。
[0029]優選的，所述步驟(4)包括用獲取的加密密鑰加密相關數據，獲得密文；根據不同的加密要求,進行安全性不同的加密方式。[0030]與現有技術比，本發明的有益效果為:
[0031]1、本發明面向電力能效監測終端專門開發，在單一晶片內具備傳感、測量、處理、通信、安全等功能，可以實現電量數據採集、電能質量分析、非電量數據採集、微功率無線或者PLC通信、數據安全加密等功能。
[0032]2、本發明本能效業務專用晶片具有低成本、高性能、低功耗以及多功能集成的特點。
[0033]3、本發明能效業務專用晶片內的安全模塊採用權威機構認可的密碼技術，按照等級保護的要求進行設計，集密碼技術、微電子技術和嵌入式技術為一體，非常適於在能源領域應用，保障涉及能源戰略、客戶隱私等的信息數據可靠安全傳輸。
[0034]4、本發明晶片內置安全模塊，根據能效業務的具體防護要求選擇權威機構認可的加密算法，對數據進行加密，防止數據洩密、被篡改。
[0035]5、本發明在單一晶片上同時集成無線通信與有線通信功能，充分滿足能效業務領域現場環境複雜、通信性能功能要求較高的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為本發明提供的一種能效業務專用晶片內部結構圖。
[0037]圖2為本發明提供的一種能效業務專用晶片非電量採集模塊結構圖。
[0038]圖3為本發明提供的一種能效業務專用晶片安全模塊結構圖。
[0039]圖4為本發明提供的一種能效業務專用晶片射頻通信模塊結構圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0041]如圖1所示，能效業務專用晶片的內部結構。晶片主要由電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊、晶片內核和外設、片內總線等關鍵部分組成。
[0042]電能計量模塊:
[0043]主要實現電參數模擬量信號的採集、電能計量以及相關電參數的測量功能，電能計量模塊內部集成DSP (Digital Signal Processing,數位訊號處理)內核。電能計量模塊的ADC採用Σ - Λ原理，內部集成7路19位2階ADC，採用雙端差分信號輸入，可滿足三相四線制的電能計量需求。模數轉換後的數據經數字濾波後輸入固定功能DSP核，由DSP核內的算法固件程序完成各相電流有效值、電壓有效值、功率因數、頻率等參數，同時還能提供各相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量等。電能計量模塊內部設計ADC數據Buffer (緩衝寄存器)，提供同步採樣數據，便於分次諧波分析，無需進行預處理。
[0044]非電量採集模塊:
[0045]如圖2所示，非電量採集模塊即片內ADC，其與電能計量模塊內的ADC不同，主要實現對常見模擬量傳感器輸出信號(如溫度、壓力、溼度等傳感器)的採集，然後在晶片內核結合傳感器量程設置等對非電參數進行計算測量。非電量採集模塊的ADC選用逐次逼近型，逐次逼近型ADC由一個比較器和DA (Digital Analog，數模)轉換器通過逐次比較邏輯構成,從MSB (Most Significant Bit,最高有效位)開始,順序地針對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出電壓進行比較，經n次比較而輸出數字值(數字值的二進位位數為n)，電路規模適於片內集成實現。該模塊設計一個ADC轉換器，前端設計多路模擬開關，支持多路雙極性單端模擬量輸入。
[0046]安全模塊:
[0047]如圖3所示，安全模塊是實現系統安全體系架構的基礎。安全模塊按照等級保護的要求進行設計，能夠支持國內外權威機構認證的密碼技術。安全模塊內集成公鑰密碼引擎、對稱加密算法模塊、RNG發生電路和其它輔助電路並可提供安全機制的檢查功能。
[0048]PLC通信模塊:
[0049]採用抗幹擾性強的OFDM技術，支持DBPSK、DQPSK, D8PSK調製和前向糾錯技術，支持電網的可靠數據通信。PLC通信模塊集成物理層和媒體訪問控制層。PLC通信模塊設計自適應載頻選擇算法，能夠確保在群延時、脈衝幹擾環境下可靠通信。PLC通信模塊集成了可編程陷波機制，允許對發送頻譜的某個頻段進行陷波處理，既保證了兼容性，同時又提供了與其它窄帶發送器(例如基於FSK的傳統PLC系統)協同工作的途徑。
[0050]PLC通信模塊的MAC集成6LoWPAN自適應層，支持IPv6數據包。增強CSMA/CA和ARQ，結合網絡路由協議，可支持各種網絡的通用MAC層服務。智能通信機制和增強系統確保在任何信道條件下正常工作。這些機制包括:信道評估、自適應載頻分配和網絡協議。
[0051]射頻通信模塊:
[0052]如圖4所示，指接收機和發射機射頻前端電路，其中上半部分為接收機電路，下半部分為發射機電路。接收機從空間中接收到微弱信號，通過射頻濾波器從眾多的電波中選出有用信號，並經過低噪聲放大到解調器所要求的電平值後，再由解調器解調，將頻帶信號變為基帶信號。
[0053]發射機射頻部分的功能是完成基帶信號對中頻載波的調製，將其上變頻至特定的RF頻段，對已調製的RF信號放大，以足夠的功率饋入天線，經天線有效的發射出去。發射機的主要功能是通過調製、上變頻、功率放大和濾波，來完成基帶信號到射頻信號的轉換。發射機的方案相對接收機要簡單很多，其結構大致可以分為兩種:一是直接變換法，即將調製和上變頻合二為一，在一個電路裡完成；二是兩步法，即將調製和上變頻分開，先在中頻上進行調製，然後再將已調信號上變頻到發射的載頻上。
[0054]晶片內核:
[0055]採用ARM公司Cortex-M3系列32位內核，晶片內部集成大容量FLASH和高速SRAM，支持多種豐富外設，具備外部控制和響應中斷能力。
[0056]晶片內核主要具備以下特性:
[0057]兩路16位定時器多路PWM波形輸出；
[0058]兩路聞速異步收發器；
[0059]16個可編程I/O埠，埠具備外部中斷能力；
[0060]支持I個SPI主從和I個I2C接口；
[0061]通用異步接收/發送器；
[0062]支持兩種低功耗模式，IDLEO模式/IDLEl模式及喚醒操作；
[0063]內嵌上電復位電路；[0064]內嵌低電壓檢測及復位電路；
[0065]支持看門狗定時器；
[0066]支持在線編程(ISP)接口；
[0067]溫度適用範圍(工業級標準)_40°C?+85°C。
[0068]實施例
[0069]本發明能效業務晶片應用於能效監測終端、能源管理終端等方面；
[0070]1、能效監測終端與權威機構認可的密碼技術密碼伺服器建立鏈路，通過系統身份認證；
[0071]2、系統身份認證通過後，密碼伺服器和能效監測終端通過伺服器上證書和能效集中交互終端證書協商會話密鑰；
[0072]3、能效監測終端採集用電設備或系統的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數，作為傳感網絡或測量網絡的傳感部分，其中定時器可以保證抄收數據按一定時間間隔抄收；
[0073]4、能效監測終端將採集來的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數根據安全要求，用獲取的加密密鑰加密相關數據，獲得密文；根據不同的加密要求，有安全性不同的加密方式；
[0074]5、加密後數據存儲在本地能效監測終端，定時或手動採集到集中終端或主站伺服器；或者直接發送到集中終端或主站伺服器；
[0075]6、主站再進行解密，然後展示和分析，達到能效分析、電能質量分析、電力安全分析等目的。
[0076]其中，密碼伺服器與能效監測終端雙方產生的會話密鑰在一定時間後密鑰失效，密鑰失效後，可通過會話恢復機制，恢復會話密鑰。
[0077]其中，終端與集中終端或主站伺服器相連可以利用晶片的PLC通信模塊(PLC通信)或射頻通信模塊(微功率無線通信)通信。
[0078]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述晶片包括電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核通過片內總線相連接；所述電能計量模塊、非電量採集模塊、安全模塊、PLC通信模塊、射頻通信模塊和晶片內核集成在一片晶片上。
2.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述電能計量模塊用於電參數模擬量信號的採集、電能計量以及相關電參數的測量；其包括DSP內核、7路19位2階 ADC 及 ADC 數據 Buffer ； 所述DSP內核用於完成各相電流有效值、電壓有效值、功率因數、頻率和提供各相及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量； 所述7路19位2階ADC採用雙端差分信號輸入，用於提供三相四線制的電能計量需求； 所述ADC數據Buffer用於同步採樣數據，分次諧波分析，無需進行預處理。
3.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述非電量採集模塊用於常見模擬量傳感器輸出信號的採集並對非電參數進行計算測量；其包括逐次逼近型ADC ； 所述逐次逼近型ADC包括一個比較器和DA轉換器。
4.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述安全模塊用於全機制的檢查，其包括隨機數發生器、公鑰算法引擎單元、加密算法單元、RNG發生電路和輔助電路。
5.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述PLC通信模塊採用抗幹擾性強的OFDM技術，支持DBPSK、DQPSK, D8PSK調製和前向糾錯技術，支持電網的可靠數據通信；其集成物理層、媒體訪問控制層、可編程陷波機制和6LoWPAN自適應層，用於在群延時、脈衝幹擾環境下、與其它窄帶發送器協同工作的途徑可靠通信。
6.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述射頻通信模塊包括接收機和發射機； 所述接收機用於從眾多的電波中選出有用信號，將信號變為基帶信號； 所述發射機用於基帶信號對中頻載波的調製，將其上變頻至特定的RF頻段後有效的發射出去。
7.如權利要求6所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述發射機通過調製、上變頻、功率放大和濾波進行對基帶信號到射頻信號的轉換。
8.如權利要求1所述的一種能效業務專用晶片，其特徵在於，所述晶片內核用於外部控制和響應中斷，其包括16位定時器、高速異步收發器、16個可編程I/O埠、通用異步接收/發送器、內嵌電復位電路和內嵌低電壓檢測及復位電路。
9.一種能效業務專用晶片應用方法，其特徵在於，所述方法包括 (O能效監測終端通過系統身份認證與密碼伺服器建立鏈路； (2)密碼伺服器與能效監測終端協商會話密鑰； (3)能效監測終端採集用電設備或系統的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數； (4)能效監測終端將採集到的電氣量數據、非電氣量數據及環境參數加密；(5)加密後數據存儲在本地能效監測終端並發送至主站伺服器； (6)主站進行解密後展示及分析。
10.如權利要求9所述的一種能效業務專用晶片應用方法，其特徵在於，所述步驟(2)包括密碼伺服器與能效監測終端雙方產生的會話密鑰在一定時間後密鑰失效，密鑰失效後，可通過會話恢復機制，恢復會話密鑰。
11.如權利要求9所述的一種能效業務專用晶片應用方法，其特徵在於，所述步驟(3)包括能效監測終端採集中定時器按一定時間間隔抄收數據。
12.如權利要求9所述的一種能效業務專用晶片應用方法，其特徵在於，所述步驟(4)包括用獲取的加密密 鑰加密相關數據，獲得密文；根據不同的加密要求，進行安全性不同的加密方式。
【文檔編號】G01R31/00GK103576031SQ201310562559
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】鐘鳴, 陳宋宋, 閆華光, 王鶴, 郭炳慶, 李德智, 苗常海, 李 傑 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院