GreenFire系統:智能電網的核心(圖)

　　為了提高能源使用效率，一種名為虛擬能源賬戶的新形態能源記賬系統應運而生，用于處理個人、家庭或公司所有的發電量和消費。虛擬能源賬戶使用網絡技術，集成全部所需要的各種信息。

　　智能系統

　　GreenFire系統包含有關能源使用及計賬的新方法。GreenFire系統由兩個要件構成：傳感器和服務器。傳感器負責測量其所附著裝置的功率流。GreenFire傳感器硬件設計有多種可選擇的技術。最合適的是基于Microsemi的SmartFusion系列的設計。

　　每個SmartFusion器件包含一個ARM Cortex-M3微控制器子系統，一個內建緊密結合的現場可編程門陣列(FPGA)和SRAM區塊，以及一個可編程模擬區塊。通過結合3個主要的電子硬件，SmartFusion能夠把傳感器放入插頭和電器內部高度集成。而安全性則是SmartFusion器件設計和制造時與生俱來的功能。

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　　Cortex-M3是ARM專門用于控制應用的處理器內核。SmartFusion Cortex-M3和SRAM的工作速度為100MHz，零等待時間。在每個SmartFusion器件中，有兩個獨立零等待狀態的嵌入式SRAM區塊和一個針對使用者的嵌入式非易失性閃存大區塊。標準硬件外設包括一個10/100Mbp Ethernet MAC，SPI、I2C和UART串行埠各兩個，兩個32位定時器和一個32位看門狗定時器。

　　在GreenFire傳感器中，FPGA架構被用于實現某些DSP算法，如快速傅立葉變換(FFT)。電力線的電壓和電流通過芯片上的模數轉換器進行采樣與數字化。采樣序列透過FFT來決定某些指標，如功率因數和諧波含量。在某些情況下，監測中的系統是否正常可以由分析出來的參數來判斷，預先示警可以避免潛在的災難性故障發生。在FGPA架構中執行FFT算法，比在微控制器中執行，保留更多時間。此外，一個專屬的硬件FFT控制器，比在通用微處理器架構上執行相同工作的軟件更快、更省電。

　　可信任架構

　　GreenFire傳感器內的SmartFusion器件所具有的安全功能，提供了傳感器硬件的可信任架構(root of trust)。它會檢查儲存在用戶可存取的內存內的程序簽名，以確保程序代碼沒有被篡改。

　　Flash的運用，成為基于SmartFusion架構的GreenFire系統重要的安全基礎。它可以保存芯片上用來建立安全網絡通信的加密密鑰和證書。SmartFusion內建的篡改檢測電路，使入侵者的工作變得更加困難。要進一步保護重要程序代碼的安全，SmartFusion器件包含一個專屬的硬件加速解密引擎，可以安全地加載。

　　設計流程

　　采用與SmartFusion器件和GreenFire所使用的軟硬件環境相符合的概念模型技術，可以進一步加快開發的速度。GreenFire Workbench使用Mathworks發行的MATLAB和Simulink工具來設計。

　　首先，設計可以直接用文字描述的硬件描述語言(hardware description language，HDL)，如Verilog或VHDL。主要的鏈接庫區塊，如FFT或GPIO，可從Microsemi SoC產品部網站獲得。Microsemi還提供Mentor Graph的ModelSimVerilog和VHDL仿真器，可以進行寄存器傳輸級(register transfer level，RTL)和門級(后期合成)的邏輯仿真。

　　另一種設計方法，特別適合于需要大量DSP的設計，是使用Simulink和Synphony HLS AE DSP區塊鏈接庫和生成工具插件。Microsemi FPGA的用戶可以免費使用Synopsys工具，可以在Simulink內抓取和模擬參數化的區塊圖，并用于自動產生轉化過后的Verilog或VHDL，供下游合成工具使用。

　　當FPGA的設計以一種或多種上述提到的方法產生VHDL或Verilog后，就可以使用Synopsys Synplify Pro編譯程序來合成電路，將設計從RTL轉換到門級。然后，利用Libero IDE的布局和布線工具來完成在某個特定器件上的實際電路制作，這包括時序收斂和功率分析。剩下的就是完成處理監測數據。

　　為了提升效率，電力網絡必須改善并變得更加智能。采用互聯網技術，再加上一個安全、高集成的硬件平臺，可以降低能源消耗，優化消費，降低消費者的成本。基于Microsemi SmartFusion cSoC的GreenFire系統可以作為這種新型智能電網的基礎。