本文作者：ST公司 Filippo Colaianni， Oleg Logvinov， Carlo Masseroni， Massimo Panzica
前言
智慧城市概念是高效可持續(xù)發(fā)展社會的重要支住。今天，全世界大多數(shù)人口都居住在城市中心區(qū)，而且研發(fā)發(fā)現(xiàn)，城市人口數(shù)量仍在持續(xù)增長。城市人口增長是導致CO2 排放量增加的主要原因之一。城市智能化意味著我們需要采用一個以高能效、可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保為特色且能夠提高城市居民的生活品質(zhì)的城市模型，這是解決全球氣候變化難題的新戰(zhàn)略。
新興起的智慧城市模型是由一個各種創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，這些創(chuàng)新技術(shù)包括智能路燈、智能電表、智能樓宇、智能停車場和電動汽車（E-Mobility）。需要強調(diào)地是，為達到雙向信息交換的目的，這些技術(shù)必須使用不同類型的通信接口。意法半導體能夠提供這些技術(shù)所需的全部接口：WiFi、藍牙、RFSubGhz無線通信和寬帶/窄帶電力線通信。
在智慧城市背景下，電動汽車，無論是私家車還是公共汽車，在不久的將來將成為增長最快的應(yīng)用。
插電式電動汽車和智能電網(wǎng)充電應(yīng)用情景
智能電動汽車是智慧城市中的一個重要角色。可持續(xù)發(fā)展的城市交通工具要求在智慧城市網(wǎng)絡(luò)中集成電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。作為一個靈活的智慧城市的系統(tǒng)組成部分，電動汽車須支持主動需求響應(yīng)方案，幫助把電力需求移至再生能源供給充足時段，并兼作額外的再生能源蓄電池。
在本文中，插電式電動汽車（PEV）指可以使用外部電源充電的以電動汽車 ，插電式電動汽車分為兩種：
- 電池電動汽車（BEV）俗稱純電動汽車，所有的動力均由外部電源提供，因此沒有傳統(tǒng)汽車上的內(nèi)燃機式發(fā)動機。
- 插電式混動汽車（PHEV）：同時搭載常規(guī)內(nèi)燃機動力系統(tǒng)和電力推動系統(tǒng)。
為攻克電動汽車充電控制這一難題，需要在電動汽車（EV）和電動汽車的供電設(shè)備（EVSE）之間執(zhí)行一個通信協(xié)議。因此，市場出現(xiàn)了一種通過充電線纜內(nèi)的控制導頻線傳輸脈寬調(diào)制（PWM）信號的信令協(xié)議。
- 供電設(shè)備檢測到插電式電動汽車（PEV）
- 供電設(shè)備通知電動汽車供電就緒
- 確定插電式電動汽車的通風要求
- 向插電式電動汽車提供供電設(shè)備的電流容量信息
這個技術(shù)規(guī)范最初出現(xiàn)在2001版的SAE J1772標準內(nèi)，隨后又被IEC 61851標準引用。
圖1 J1772 信號電路
根據(jù)IEC 61851-1標準，供電設(shè)備通過調(diào)節(jié)PWM占空比向電動汽車發(fā)送最大有效充電功率信號，同時電動汽車返回四個改變電壓值不同的狀態(tài)信號，見下圖：
圖2：IEC 61851利用PWM信號表示電動汽車狀態(tài)
不過，在實際智能電網(wǎng)應(yīng)用中，電網(wǎng)兼容性和快速充電管理則需要更多的復雜的數(shù)字信號。目前，ISO/IEC 15118 聯(lián)合工作組技術(shù)標準的汽車電網(wǎng)通信接口（V2GCI）對該數(shù)字通信有明確的規(guī)定。在傳導式充電應(yīng)用領(lǐng)域，電力線通信（PLC）協(xié)議是在充電線纜的控制導頻線上應(yīng)用ISO/OSI 第1和第2層技術(shù)。
IEEE P1901 （HomePlug AV/GP）是電力線寬帶標準（BPL），是電動汽車與充電站和智能電網(wǎng)之間的基于IP的電力線通信標準。HomePlug® Green PHY （GP）規(guī)范是電力線通信協(xié)議，用于滿足智能電網(wǎng)應(yīng)用的特殊需求，支持汽車與電網(wǎng)之間的通信，同時兼容HomePlug AV產(chǎn)品和IEEE 1901標準。該標準是標準化組織與主要電力企業(yè)合作開發(fā)的，旨在于大幅降低功耗和成本。
圖3：在智慧家居中集成的典型的電動汽車充電系統(tǒng)
HomePlug GP可視為一個簡化的低功耗的低數(shù)據(jù)速率版的HomePlug AV，方便芯片廠商研制易用的高速的Green PHY芯片。該標準的向后兼容性準許設(shè)備廠商使用現(xiàn)有的HomePlug AV芯片部署產(chǎn)品原型和早期研發(fā)的產(chǎn)品。
在這種情況下，意法半導體的新產(chǎn)品ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片（SoC）將目標應(yīng)用鎖定世界智能家居和智能電網(wǎng)市場。該產(chǎn)品完全符合V2GI通信要求，支持HomePlug Green PHY技術(shù)規(guī)范，可實現(xiàn)汽車電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)和主動需求響應(yīng)應(yīng)用。
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ST2100 STreamPlug概述
ST2100 StreamPlug系統(tǒng)芯片集成高性能處理子系統(tǒng)和電力線寬帶通信（PLC）功能，以及安全算法加速器和各種標準外設(shè)。ST2100支持IEEE 1905.1標準，讓客戶能夠在一個新的網(wǎng)關(guān)或集線器設(shè)計內(nèi)整合以太網(wǎng)、Wi-Fi® 等其它網(wǎng)絡(luò)標準。ST2100 StreamPlug支持廣泛使用的PLC通信協(xié)議，例如，HomePlug® AV和HomePlug Green PHY，以及IEEE 1901寬帶電力線連接標準。
ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片應(yīng)用處理器基于330MHz ARM926EJ-S內(nèi)核，并提供一個外部存儲器管理子系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)芯片還集成USB2.0和以太網(wǎng)接口、彩色LCD顯示控制器和CRYPTO硬件加密引擎，支持AES、DES/3DES和IPSec等加密算法。
STreamPlug ST2100芯片采用12mm x 12mm TFBGA 373 BGA封裝。
從軟件角度看，虛擬機支持客體操作系統(tǒng)管理，例如，Linux Kernel 2.6。PLC協(xié)議支持功能包括最新的IEEE 1901寬帶電力線（BPL）標準，以及廣泛使用的HomePlug標準，例如，承載HDTV和VoIP業(yè)務(wù)的200Mbps HomePlug AV，為智能電網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化的HomePlug Green PHY。
這些軟硬件架構(gòu)讓STreamPlug ST2100 Smart HomePlug系統(tǒng)芯片成為在智能家居和智能電網(wǎng)中起重要作用的物聯(lián)網(wǎng)的重要使技術(shù)。
ST2100 STreamPlug模塊
意法半導體與臺灣大同公司在T2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片合作開發(fā)項目中取得了多項創(chuàng)新成果，例如，大同的 Gateway One網(wǎng)絡(luò)集線器和其它的智能電能產(chǎn)品。Gateway One讓用戶能夠建設(shè)整合以太網(wǎng)、WLAN、PLC和多媒體設(shè)備的多業(yè)務(wù)承載家庭網(wǎng)絡(luò)，增加機會大幅改進整個家居的能效、安全、舒適性和便利性。大同的Meter Bridge表橋和家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）網(wǎng)橋讓多單元住宅受惠于智能能源應(yīng)用，同時解決用電和電費等難題。下面重點介紹為OEM市場開發(fā)的M1i和M3兩個模塊。這兩個模塊的開發(fā)目的是縮減智能裝置開發(fā)人員和廠商的研發(fā)周期，智能裝置為聯(lián)入電網(wǎng)的設(shè)備提供電能管理和網(wǎng)絡(luò)連接功能。M1i模塊是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計，而M3將目標應(yīng)用鎖定在智能家居和智能樓宇，其中包括插電式電動汽車充電應(yīng)用。
M1i模塊
工業(yè)溫度范圍
模塊化方法：
· 小尺寸/面積
· 集成子系統(tǒng) – 優(yōu)化電路板布局
· 在模塊內(nèi)完成關(guān)鍵的PLC子系統(tǒng)布局
單片集成應(yīng)用處理器、模擬前端和HomePlug AV/GP
豐富的接口選擇
目標應(yīng)用范圍廣泛：
· 物聯(lián)網(wǎng)和和機對機連接
· 家居/樓宇/工廠自動化
· 能源管理
· 智能LED照明
· 電動汽車和電動汽車供電設(shè)備
通過使用擴展排針，該模塊還支持下列接口：
· HomePlug AV/GP （PLC）
· 以太網(wǎng)
· USB （host或device）
· FSMC （多功能8位并行接口）
· GPIO （最多24個，支持PWM）
· PGC （支持IR編碼）
· SPORT （高速DSP串行接口）
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· TS （視頻/圖像傳感器接口）
· DAI （I2S音頻接口，用于音頻DAC/ADC轉(zhuǎn)換器）
· SPI （3線和4線串行控制接口）
· UART （2個）
· FIrDA （可選）
· I2C （工業(yè)標準2線串行接口）
· CAN （基于汽車總線協(xié)議的串行接口 – 2個）
M3模塊
M3模塊適用于家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)絡(luò)中的各種電力線通信：
· 物聯(lián)網(wǎng)和和機對機連接
· 家庭/辦公室/工廠/樓宇/城市自動化
· 能源管理
· 智能LED照明控制
· 電動汽車供電設(shè)備（EVSE）
· 音頻/視頻傳輸和視頻監(jiān)控
· 顯示器控制
M3模塊是為電力線通信系統(tǒng)專門設(shè)計，內(nèi)置的大容量NAND閃存可存儲應(yīng)用程序和文件系統(tǒng)，通過擴展排針支持各種接口：
· HomePlug AV/GP （PLC）
· 以太網(wǎng)
· USB （host或device）
· FSMC （多功能8位并行接口）
· GPIO （最多24個，支持PWM）
· PGC （支持IR編碼）
· SPORT （高速DSP串行接口）
· TS （視頻/圖像傳感器接口）
· DAI （I2S音頻接口，用于音頻DAC/ADC轉(zhuǎn)換器）
· SPI （3線和4線串行控制接口）
· UART （2個）
· FIrDA （可選）
· I2C （工業(yè)標準2線串行接口）
· CAN （基于汽車總線協(xié)議的串行接口 – 2個）
M1i和M3固件
STreamPlug軟件有三個主要模塊：帶內(nèi)核調(diào)度器的ST接口層、ST系統(tǒng)軟件和Open Kernel Labs開發(fā)的基于管理程序（又稱虛擬機監(jiān)控器）的Linux內(nèi)核。
帶內(nèi)核調(diào)度器的ST接口層提供支持系統(tǒng)軟件層和系統(tǒng)管理程序所需的必要的API。ST系統(tǒng)軟件提供用于實現(xiàn)HomePlugAV/1901/GP MAC的內(nèi)核軟件以及支持模塊。Linux內(nèi)核包括一系列Linux （2.6.35.0）設(shè)備驅(qū)動程序，可控制STreamPlugSoC上的特定硬件接口和目標應(yīng)用的硬件平臺。使用OKL技術(shù)管理Linux客體機操作系統(tǒng)有諸多好處：
· Linux應(yīng)用程序可在同一個處理器上與舊應(yīng)用和舊操作系統(tǒng)同時運行。
· 同時支持兩個操作系統(tǒng)環(huán)境，無需安裝多個硬件處理器，不必將舊系統(tǒng)移植到Linux操作系統(tǒng)。
· 通過Secure HyperCell（tm）技術(shù)，OKL4原生單元可完善Linux虛擬機（VM）功能，提供更好的執(zhí)行環(huán)境，更好的實時屬性和更強的安全性。
· OKL4單元適合管理實時操作系統(tǒng)，簡化延遲敏感函數(shù)的實現(xiàn)過程，而不會犧牲Linux的豐富的生態(tài)系統(tǒng)支持。
這個穩(wěn)健且靈活的軟件平臺是一個理想的運行環(huán)境，支持第三方專用協(xié)議棧和應(yīng)用程序，處理能力足以運行OpenADR、ISO/IEC 15118、OCCP和其它軟件組件，創(chuàng)建一個具有成本效益的緊湊的單片電動汽車供電設(shè)備芯片。
結(jié)論
意法半導體是理想的合作伙伴，為終端設(shè)備廠商提供創(chuàng)新技術(shù)，助力客戶在智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研發(fā)創(chuàng)新，優(yōu)化終端用戶的生活體驗。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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