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發展社會的重要支住。今天，全世界大多數人口都居住在城市中心區，而且研發發現，城市人口數量仍在持續增長。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、可持續發展和節能環保為特色且能夠提高城市居民的生活品質的城市模型，這是解決全球氣候變化難題的新戰略。

　　新興起的智慧城市模型是由一個各種創新技術構成的生態系統，這些創新技術包括智能路燈、智能電表、智能樓宇、智能停車場和電動汽車（E-Mobility）。需要強調地是，為達到雙向信息交換的目的，這些技術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用。

　　插電式電動汽車和智能電網充電應用情景

　　智能電動汽車是智慧城市中的一個重要角色。可持續發展的城市交通工具要求在智慧城市網絡中集成電動汽車充電基礎設施。作為一個靈活的智慧城市的系統組成部分，電動汽車須支持主動需求響應方案，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，因此沒有傳統汽車上的內燃機式發動機。

　　- 插電式混動汽車（PHEV）：同時搭載常規內燃機動力系統和電力推動系統。

　　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備（EVSE）之間執行一個通信協議。因此，市場出現了一種通過充電線纜內的控制導頻線傳輸脈寬調制（PWM）信號的信令協議。

　　- 供電設備檢測到插電式電動汽車（PEV）

　　- 供電設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備的電流容量信息

　　這個技術規范最初出現在2001版的SAE J1772標準內，隨后又被IEC 61851標準引用。

　　圖1  J1772 信號電路

　　根據IEC 61851-1標準，供電設備通過調節PWM占空比向電動汽車發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信號，見下圖：

　　圖2：IEC 61851利用PWM信號表示電動汽車狀態

　　不過，在實際智能電網應用中，電網兼容性和快速充電管理則需要更多的復雜的數字信號。目前，ISO/IEC 15118 聯合工作組技術標準的汽車電網通信接口（V2GCI）對該數字通信有明確的規定。在傳導式充電應用領域，電力線通信（PLC）協議是在充電線纜的控制導頻線上應用ISO/OSI 第1和第2層技術。

　　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之間的基于IP的電力線通信標準。HomePlug® Green PHY （GP）規范是電力線通信協議，用于滿足智能電網應用的特殊需求，支持汽車與電網之間的通信，同時兼容HomePlug AV產品和IEEE 1901標準。該標準是標準化組織與主要電力企業合作開發的，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

　　HomePlug GP可視為一個簡化的低功耗的低數據速率版的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備廠商使用現有的HomePlug AV芯片部署產品原型和早期研發的產品。

　　在這種情況下，意法半導體的新產品ST2100 STreamPlug系統芯片（SoC）將目標應用鎖定世界智能家居和智能電網市場。該產品完全符合V2GI通信要求，支持HomePlug Green PHY技術規范，可實現汽車電網聯網和主動需求響應應用。

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　　ST2100 STreamPlug概述

　　ST2100 StreamPlug系統芯片集成高性能處理子系統和電力線寬帶通信（PLC）功能，以及安全算法加速器和各種標準外設。ST2100支持IEEE 1905.1標準，讓客戶能夠在一個新的網關或集線器設計內整合以太網、Wi-Fi® 等其它網絡標準。ST2100 StreamPlug支持廣泛使用的PLC通信協議，例如，HomePlug® AV和HomePlug Green PHY，以及IEEE 1901寬帶電力線連接標準。

　　ST2100 STreamPlug系統芯片應用處理器基于330MHz ARM926EJ-S內核，并提供一個外部存儲器管理子系統。此外，該系統芯片還集成USB2.0和以太網接口、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管理，例如，Linux Kernel 2.6。PLC協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業務的200Mbps HomePlug AV，為智能電網應用優化的HomePlug Green PHY。

　　這些軟硬件架構讓STreamPlug ST2100 Smart HomePlug系統芯片成為在智能家居和智能電網中起重要作用的物聯網的重要使技術。

　　ST2100 STreamPlug模塊

　　意法半導體與臺灣大同公司在T2100 STreamPlug系統芯片合作開發項目中取得了多項創新成果，例如，大同的 Gateway One網絡集線器和其它的智能電能產品。Gateway One讓用戶能夠建設整合以太網、WLAN、PLC和多媒體設備的多業務承載家庭網絡，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表橋和家庭區域網絡（HAN）網橋讓多單元住宅受惠于智能能源應用，同時解決用電和電費等難題。下面重點介紹為OEM市場開發的M1i和M3兩個模塊。這兩個模塊的開發目的是縮減智能裝置開發人員和廠商的研發周期，智能裝置為聯入電網的設備提供電能管理和網絡連接功能。M1i模塊是為工業應用專門設計，而M3將目標應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用。

　　M1i模塊

　　工業溫度范圍

　　模塊化方法：

　　· 小尺寸/面積

　　· 集成子系統 – 優化電路板布局

　　· 在模塊內完成關鍵的PLC子系統布局

　　單片集成應用處理器、模擬前端和HomePlug AV/GP

　　豐富的接口選擇

　　目標應用范圍廣泛：

　　· 物聯網和和機對機連接

　　· 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

　　· 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轉換器）

　　· SPI （3線和4線串行控制接口）

　　· UART （2個）

　　· FIrDA （可選）

　　· I2C （工業標準2線串行接口）

　　· CAN （基于汽車總線協議的串行接口 – 2個）

　　M3模塊
 

　　M3模塊適用于家庭區域網絡（HAN）、工業網絡和智能網絡中的各種電力線通信：

　　· 物聯網和和機對機連接

　　· 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

　　· 電動汽車供電設備（EVSE）

　　· 音頻/視頻傳輸和視頻監控

　　· 顯示器控制

　　M3模塊是為電力線通信系統專門設計，內置的大容量NAND閃存可存儲應用程序和文件系統，通過擴展排針支持各種接口：

　　· HomePlug AV/GP （PLC）

　　· 以太網

　　· 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轉換器）

　　· SPI （3線和4線串行控制接口）

　　· UART （2個）

　　· FIrDA （可選）

　　· I2C （工業標準2線串行接口）

　　· CAN （基于汽車總線協議的串行接口 – 2個）

　　M1i和M3固件

　　STreamPlug軟件有三個主要模塊：帶內核調度器的ST接口層、ST系統軟件和Open Kernel Labs開發的基于管理程序（又稱虛擬機監控器）的Linux內核。

　　帶內核調度器的ST接口層提供支持系統軟件層和系統管理程序所需的必要的API。ST系統軟件提供用于實現HomePlugAV/1901/GP MAC的內核軟件以及支持模塊。Linux內核包括一系列Linux （2.6.35.0）設備驅動程序，可控制STreamPlugSoC上的特定硬件接口和目標應用的硬件平臺。使用OKL技術管理Linux客體機操作系統有諸多好處：

　　· Linux應用程序可在同一個處理器上與舊應用和舊操作系統同時運行。

　　· 同時支持兩個操作系統環境，無需安裝多個硬件處理器，不必將舊系統移植到Linux操作系統。

　　· 通過Secure HyperCell（tm）技術，OKL4原生單元可完善Linux虛擬機（VM）功能，提供更好的執行環境，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，簡化延遲敏感函數的實現過程，而不會犧牲Linux的豐富的生態系統支持。

　　這個穩健且靈活的軟件平臺是一個理想的運行環境，支持第三方專用協議棧和應用程序，處理能力足以運行OpenADR、ISO/IEC 15118、OCCP和其它軟件組件，創建一個具有成本效益的緊湊的單片電動汽車供電設備芯片。

　　結論

　　意法半導體是理想的合作伙伴，為終端設備廠商提供創新技術，助力客戶在智能電網和物聯網領域研發創新，優化終端用戶的生活體驗。

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