飞思卡尔为中国国网电表量身打造MZ系列微控制器
作为合理配置和节约能源的有效手段，智能电网在全球范围内已获得广泛关注，世界各政府和企业都在积极地推进智能电网的建设工作。2009年，中国国家电网公司也宣布未来5年将会投资685亿元人民币，在全国范围内部署1.7亿块智能电表，其中75%为单相电表，25%为三相电表。2009年10月，国家电网公司正式发布了新的智能电表系列标准，对单相及三相智能电表的型式、技术和通用功能进行了规范和统一。针对单相电表方面的设计要求，飞思卡尔半导体最新推出MZ系列智能MCU和完整的智能电表参考设计，以帮助开发人员设计出完全符合中国国网新标准的产品。
针对国网新标准量身定做
据飞思卡尔半导体工业和多元市场微控制器部亚太区市场经理曾劲涛介绍，此次中国国网新标准为单相电表设计所提出的设计要求主要包括以下几点：
1） 基本计量功能增强，需要计量正反向有功电量，并测量线路电压、相线电流、零线电流、有功功率，甚至功率因数等；
2） 费控功能复杂，需要支持IC卡本地费控或载波远程费控，支持时段电价或阶梯电价，并需增加ESAM芯片以保证费控部分的数据安全性；
3） 需要支持多种抄表通讯模式，如红外、RS-485和电力线载波；
4） 外壳模具统一，液晶屏、LED指示灯、按键、红外抄表和嵌入式载波通讯模块安装位置均完全固定，极大限制了电子线路布局布线的灵活性；
5） 功能庞杂，除电量计量外还增加了大量的管理功能。
在对新标准进行充分研究的基础上，飞思卡尔推出专为中国单相智能电表量身定做的5V MZ系列MCU，包括8位的9S08MZ60/96/128和32位的51MZ256共四款芯片。
MZ系列MCU均为不带片上LCD的产品。曾劲涛解释说：“对于中国国网新标准来说，具有片上LCD的MCU存在以下几方面的缺点：首先，MCU上需要太多的LCD引脚连接，印版布线非常麻烦；其次，不合理的布局布线容易造成整体EMC和ESD性能降低；第三，带片上LCD的MCU缺乏后续系统扩充或移植的灵活性。基于这些原因，我们此次主推不带LCD的MCU产品。”
在电源电压选择上飞思卡尔也有自己的考虑。曾劲涛表示，有些厂商出于功耗方面的需求而选择了3V方案，而飞思卡尔认为，由于电表中的计量芯片和载波模块都要求5V接口，因此，采用3V芯片会增加系统的设计成本，降低系统可靠性。为了简化系统设计，飞思卡尔此次推出的均为5V芯片，芯片内部的电源管理单元可使内部电压降至3V以下，以降低功耗。交流掉电后MCU可进入电池供电的低功耗休眠模式，内部用于监测电池电压的ADC模块采用独立时钟，周期性唤醒，从而进一步降低了功耗。
为了支持新标准中增加的更多功能，飞思卡尔为其MCU新品配备了丰富的外设模块，以提供足够的程序和数据空间。8位的9S08MZ60/96/128处理器芯片分别集成60KB、96KB或128KB闪存，32位的51MZ256则集成256KB闪存。此外，芯片中还内置了时钟管理、电源管理、模拟、定时器与触发器等模块，并提供多种串行接口和大量I/O端口。9S08MZ96/128的内部框图如图1所示。
此外，MZ系列的4款MCU产品均提供64引脚LQFP封装，可实现完全的无缝兼容，用户无需修改PCB布线就能进行产品升级。
图1 9S08MZ96/128内部框图
完整的单相表参考设计
为了简化智能电表的开发，加快产品上市速度，飞思卡尔同时还推出了完整的一站式单相表参考设计，其中包含了必要的硬件和软件，确保产品完全符合中国国网电表新标准。
飞思卡尔参考设计采用64K字节EEPROM为主，附设2M字节串行Flash扩充，以满足那些需要增强外围设备、提高性能、增加存储容量和改进系统安全的应用需要。在电源设计方面，MCU主板和前端计量板直接共地，交流供电和电池供电通过简单的二极管通路切换，交流供电及电池电压可以直接送片上ADC进行掉电检测，从而省去了一般设计用于掉电检测和电池检测的电压比较器。在实时时钟方面，外置RTC芯片和MCU通过I2C总线控制，读取时钟参数，可实现单片机自身内部时钟的频率校准。计量部分采用外置计量芯片，MCU通过SPI总线对芯片进行配置和数据读取，MCU软件配合来实现软件校表，能实现电流和电压的零偏校准。此外，在数据通讯方面，RS-485通讯支持最高速率19200bps，而红外抄表通讯可支持1200/2400bps，载波通讯基于片上硬件SCI模块可实现MCU和载波模块之间的9600bps串行通信。交流掉电后，MCU进入低功耗休眠模式，通过内部实时计数器定时唤醒，系统整体功耗可低于7uA。
图2、图3、图4分别为该参考设计的硬件框图、PCB模块结构图和系统软件实现框图。
图2 MZ系列一站式解决方案硬件框图
图3 PCB模块组成
图4 系统软件实现框图
抓住市场重新洗牌的机遇
2009年12月，国家电网公司公布了首批智能电表的招标结果，共计20多家公司分享了290万块电表的订单。目前，第二批招标工作正在进行中。
根据iSuppli公司于2009年2季度针对MCU厂商在中国电表市场中的份额所进行的调查，NEC和瑞萨两家日系厂商占60%，Microchip占10%，TI占9%，意法半导体占5%，飞思卡尔占3%。曾劲涛指出，新标准公布后，所有厂商都面临着重新洗牌的机遇。在第一批中标的电表中，飞思卡尔的份额已经比之前提高了一倍。“MZ系列MCU产品提供了丰富的资源，并且这些资源都得到了充分的利用，极高的性价比和完全的引脚兼容性是其两大优势所在。我们对此次的新产品充满信心，相信在第二批中标产品中，飞思卡尔的市场占有率还会进一步提高。”曾劲涛表示。