作為電力網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集的唯一設(shè)備，智能電表是用戶側(cè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，智能電表的技術(shù)創(chuàng)新可以說從根本上影響著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展。

距離中國首次提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念剛過去一年，通過升級電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，以大數(shù)據(jù)、云計算、5G、邊緣計算等技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，將隨著承擔(dān)“拉動經(jīng)濟(jì)”重任的“新基建”而加速，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)基礎(chǔ)建設(shè)中的重要性不言而喻。

針對這波大規(guī)模的市場熱潮，富士通電子元器件(上海)有限公司產(chǎn)品管理部總監(jiān)馮逸新近日在一次研討會上也表示：“智能表計作為富士通長期關(guān)注的重點業(yè)務(wù)，在未來幾年具有很大的市場潛力，特別是智能電表行業(yè)發(fā)展?jié)摿σ廊豢春谩！?/p>

隨風(fēng)而起， FRAM筑造堅固數(shù)據(jù)存儲

電子設(shè)計的一個主要考慮因素是降低總功耗的同時提高可靠性。設(shè)計人員必須考慮增加功能，同時減少系統(tǒng)的功率預(yù)算，以實現(xiàn)更長久的電池壽命。但是與此同時，嵌入式軟件正變得日益復(fù)雜，需要配備更多的存儲器，但這一點對功耗也有了進(jìn)一步要求。“對于智能表計而言，數(shù)據(jù)記錄及存儲是非常重要的。因此，智能表計方案商需考慮挑選合適的存儲產(chǎn)品予以應(yīng)對。”馮逸新指出。中國政府從2018年開始對水表進(jìn)行全面更新?lián)Q代，也帶動了智能水表的技術(shù)革新。特別是抄表方案從傳統(tǒng)的載波方案逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.3532n.com/tags/nb-iot/" target="_blank">NB-IOT平臺，對于平臺里的采集器和集中器對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送的無遲延和可靠性也都有了更高的要求。

“富士通FRAM在智能表計行業(yè)已深耕十多年之久，全球表計出貨超1億片。針對新一代標(biāo)準(zhǔn)下的智能表計，富士通推出了眾多創(chuàng)新型存儲產(chǎn)品，如FRAM鐵電存儲器在智能電表行業(yè)已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)存儲器被廣泛采用，在中國、東南亞、歐洲、南美、北美等地區(qū)擁有很大的市場占有率。” 馮逸新表示。據(jù)悉，威勝集團(tuán)、海興電力、林洋能源、Itron、西門子等業(yè)界主流的電表供應(yīng)商都是富士通FRAM的客戶，無錫聚成、浙江威星、EMERSON、E+H、TEPLOKOM等全球范圍的智能水氣儀表主要供應(yīng)商，也將FRAM作為其準(zhǔn)確記錄和存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)元件。

四大關(guān)鍵特性，助力表計產(chǎn)品性能升級

FRAM的三大優(yōu)勢我們都很熟悉，那就是高速寫入、耐久性、以及低功耗，而針對智能表計應(yīng)用，它還擁有第四大優(yōu)勢——超高的安全性。在物聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)與消費者對數(shù)據(jù)保密與安全的認(rèn)知進(jìn)一步提升。若遇到黑客違法盜取及分析電表的機(jī)密數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致大范圍的信息泄露。對此，富士通FRAM賦予了智能表計應(yīng)用的安全性優(yōu)勢，就是防止黑客盜竊或篡改數(shù)據(jù)。當(dāng)黑客的篡改事件發(fā)生時，低功耗和高速的FRAM可以利用給RTC供電的小型電池電源，瞬間消去重要數(shù)據(jù)，從而確保電力用戶的信息安全。例如FRAM僅需0.1mA的工作電流，就能夠在0.3ms的時間內(nèi)擦除256bit的數(shù)據(jù)，相比EEPROM擁有顯著的優(yōu)勢。

安全性的第二個表現(xiàn)，則是基于高寫入速度。以256Kb獨立FRAM存儲器為例，每寫入1Byte數(shù)據(jù)，所需時間僅為150ns。因此，富士通FRAM在智能電表應(yīng)用中帶來了關(guān)鍵的優(yōu)勢：掉電保護(hù)重要數(shù)據(jù)。電表使用的重要數(shù)據(jù)，需要在非常短的間隔(1-3次/秒)里保存在存儲器，并確保掉電情況下數(shù)據(jù)依然完整。對于表計計量和抄表系統(tǒng)而言，維護(hù)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性就是防止國家資源流失，從而確保國家能高效完整回收資金。

耐久性則是智能表計（特別是集中器）最基本的需求。按照國家電網(wǎng)規(guī)定，重要數(shù)據(jù)必須以1次/秒的頻率實時記錄到存儲器，按照智能電表10年運行周期來計算，存儲器需達(dá)到寫入次數(shù)至少為：1*60*60*24*365*10=3.2億次。作為非易失性存儲器，F(xiàn)RAM具有接近SRAM和DRAM這些傳統(tǒng)易失性存儲器級別的高速寫入速度，讀寫周期是傳統(tǒng)非易失性存儲器的1/30000，但讀寫耐久性卻是后者的1,000萬倍，達(dá)到了10萬億次，可實現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀(jì)錄 (實時的記錄)。若按5ms一次讀寫頻率來計算，達(dá)到10萬億次花費的時間是1,585年，相當(dāng)于可以從唐朝寫到現(xiàn)在！與之相對， EEPROM只有100萬次讀寫壽命，若按此讀寫頻率，1個半小時就會報廢，更別說只有10萬次讀寫壽命的Flash了。另外，F(xiàn)RAM的數(shù)據(jù)保持時間也極長，在85℃環(huán)境下，可以達(dá)到至少10年。

至于低功耗的優(yōu)勢，則在智能水氣表中得以體現(xiàn)。在水表/氣表系統(tǒng)中，從集中器到每家每戶的水表/氣表，都能夠看到FRAM的身影。相比于智能電表，市場規(guī)律上最明顯的差異就是水表、氣表必須選用電池供電（且通常一顆電池要用10-15年以上），而非電表那樣可直接接入電源，因此低功耗成為了水、氣表方案最關(guān)鍵的需求。也因此讓讀寫壽命長、功耗極低又利于延長電池使用壽命的FRAM實現(xiàn)了極大的差異化優(yōu)勢。以64Byte數(shù)據(jù)寫入為例，F(xiàn)RAM的功耗僅僅是EEPROM的1/440，可以輕松應(yīng)對實時、頻繁存儲數(shù)據(jù)的工作模式，這不僅大大延長了電池壽命降低維護(hù)成本，更有助于電池與設(shè)備的小型化。

完善的存儲產(chǎn)品陣列，表計數(shù)據(jù)存儲再添B計劃 FRAM的優(yōu)勢雖然明顯，但如果單純使用FRAM，成本相比EEPROM以及Flash來說勢必是略有升高的。而智能電表，特別是單相電、水、氣、熱表對方案成本的要求通常非常苛刻，因此如何讓產(chǎn)品在保持高性能的前提下進(jìn)一步降低成本是富士通一直以來面臨的挑戰(zhàn)。

在實際應(yīng)用中，富士通建議采用超低容量FRAM (4Kbit)與EEPROM并用，幫助實現(xiàn)低成本的電、水、氣、熱智能表計方案。“采用FRAM與EEPROM并用的方案設(shè)計可實現(xiàn)智能表計的高可靠性與安全性，并在整體方案架構(gòu)上省去用于EEPROM掉電保護(hù)的大電容，從而有效地降低系統(tǒng)整體的BOM成本。” 馮逸新表示。為滿足用戶在低成本和高性能的完美平衡，富士通FRAM存儲器推出了用于計量模塊的I2C 接口的3v、5v電源電壓驅(qū)動的4kbit、16kbit、64kbit、128kbit和256kbit的FRAM產(chǎn)品，同時推出用于抄表采集器或集中器用的SPI接口的16kbit到4Mbit的多容量的FRAM存儲器。這些產(chǎn)品最大的優(yōu)勢是高速寫入，高寫入操作耐久性和高可靠性，適用于智能四表的掉電保護(hù)等高可靠性設(shè)計要求。

“另外，針對工業(yè)電表，富士通還可以提供ReRAM。低功耗和大容量的ReRAM是那些以讀操作為主，更換電池困難，抄表困難但需長時間保持?jǐn)?shù)據(jù)的流量儀表的最佳解決方案。”馮逸新稱，“目前第一代產(chǎn)品4M bit早已量產(chǎn)之中，第二代產(chǎn)品8M bit已經(jīng)開始供給ES樣品，未來第三代產(chǎn)品將開發(fā)SPI 2M bit產(chǎn)品，可用于替代EEPROM，應(yīng)用于需要高溫操作的工業(yè)電表等應(yīng)用當(dāng)中。”

同時，富士通業(yè)已著手開發(fā)與試產(chǎn)下一代高性能存儲產(chǎn)品——NRAM。其同時繼承了FRAM的高速寫入、高讀寫耐久性，又具備與NOR Flash相當(dāng)?shù)拇笕萘颗c造價成本，并實現(xiàn)很低的功耗。在智能表計使用中，一個NRAM就可以替代電、水、氣、熱表中的Flash、FRAM和EEPROM等所有存儲單元，不僅減少了存儲器的使用數(shù)量，也有利于系統(tǒng)工程師簡化設(shè)計上的難度。

作為NRAM的第一代產(chǎn)品，16M bit的DDR3+SPI接口產(chǎn)品最快將于今年底上市，勢必引發(fā)存儲行業(yè)的新一輪變革。馮逸新自信地表示：“NRAM既繼承了FRAM的高性能，又具有替換NOR Flash大容量的特點，我們堅信這必將是一個劃時代的存儲器解決方案！”

總結(jié)

“富士通工業(yè)級FRAM已經(jīng)量產(chǎn)20年之久，積累了非常多量產(chǎn)工藝經(jīng)驗，從1999年至今，總共出貨達(dá)41億顆！” 馮逸新總結(jié)道。事實上，除了表計關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲，富士通FRAM產(chǎn)品還應(yīng)用于RFID、醫(yī)療電子、汽車電子等廣泛的領(lǐng)域，某種程度上來說，小小的FRAM存儲器正在廣泛賦能各行各業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用！以目前智能表計行業(yè)的情況來看，想做到真正的智能化，還需要經(jīng)歷從功能到性能的全面飛躍，從關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲的變革做起實現(xiàn)更多的創(chuàng)新將加速產(chǎn)品和行業(yè)的升級。