1.工業電表的市場背景

近年來，工業電表市場正加速從傳統計量設備向智能化、網絡化方向升級。根據行業研究數據顯示，2022年全球智能電表市場規模已達到約120億美元，并呈現持續增長態勢，預計到2028年將突破180億美元，年均復合增長率（CAGR）顯著。這一增長主要受全球智能電網建設、工業4.0推進及碳中和政策驅動，其中工業領域的高精度智能電表需求尤為突出。

市場現狀：

• 智能化滲透：工業場景中，支持物聯網（IoT）和遠程監控的智能電表占比快速提升。
• 能效管理需求：企業對用電數據的實時分析需求推動高端工業智能電表普及。
• 區域差異：歐美市場以存量替換為主，亞太地區（尤其中國）因新能源項目加速成為增長主力。

2.技術方案分析

在工業控制設備的設計中，極海半導體的APM32工業級微控制器因其出色的性能和穩定性被廣泛采用。極海主控芯片配置強勁，功耗低，能保障設備長時間穩定運行。其豐富的外設接口，如UART可實現與其他模塊的串行通信，SDIO、SPI、I2C接口方便接入各類傳感器與執行模塊，極大拓展了設備功能。

傳統方案中，大容量存儲一般都是使用TF卡或SD卡的方案。但是工業設備的使用場景具有高振動、溫度變化大、長時間連續運行等特點，這就對存儲方案的可靠性有了更高的要求。由于TF卡屬于可插拔式接口，在工業場景下極易因振動造成接觸不良，導致數據丟失或系統故障。在我們這個方案中，將TF卡的方案替換為了CS創世SD NAND，SD NAND芯片是出廠時直接焊接到電路板上的，從根本上解決了接觸不良的問題。

功能	CS品牌SD NAND	TF
生產便利可靠性	可SMT機貼，生產直通率高;焊接牢固	只能手工焊接;生產效率低;T卡和卡座之間容易脫落
尺寸大小	6*8mm，占用面積僅為使用TF卡四分之一;無結構件，容易實現防水，小巧的產品	配合卡座占用面積:13*15mm占用面積大，且不好做防水
產品定位	定位核心存儲芯片;內置在PCB板上;要求高可靠性，高一致性;對芯片良率要求很高	定位消費類產品的外置模組;可用即可;出現不良通過換貨解決
內部晶圓	內部使用原廠SLC NAND晶圓擦寫壽命可達5-10萬次，是TLCNAND的100-200倍	大部分使用TLC NAND，擦寫壽命只有500次左右，而且市面上產品質量參差不齊，混雜使用Down Grade甚至ink Die;擦寫壽命更低
使用材質	芯片內部使用芯片級黑膠體，邦線，基板，與TF卡使用材質完全不同	只測試基本功能
出廠標準差異	出廠標準嚴苛,需要通過高溫回流焊，隨機掉電，高低溫冷熱沖擊等測試	只要能滿足SD協議即可。對內部晶圓，控制，固件不做特別要求，發生變更不會通知客戶
一致性	一致性高;統一的晶圓，統一的控制器和固件;如果發生變更會及時通知客戶	只要能滿足SD協議即可。對內部晶圓，控制，固件不做特別要求，發生變更不會通知客戶

經過一系列市場調研和技術分析，最終我們選用了創世SD NAND：CSNP4GCR01-DPW作為我們的存儲芯片，它可以通過SPI/SD接口直連極海主控芯片。此外它支持免驅動，接上就能使用，內置的壞塊管理程序可確保數據安全存儲，完美切合我們的產品需求。

該存儲芯片采用工業級工藝，LGA-8封裝，尺寸僅6x8mm，內置SLC晶圓，擦寫壽命高達10萬次，并通過1萬次隨機掉電測試，支持溫度范圍-40°C~85°C。讀寫速度快，完全滿足工業設備的數據存儲需求。標準的SD 2.0協議使得用戶可以直接移植標準驅動代碼，省去了驅動開發環節。支持TF卡啟動的SOC都可以直接使用該SD NAND，并提供STM32參考例程及原廠技術支持。

此外，設備還配備各種工業接口模塊，負責數據采集、信號處理等功能；顯示模塊在主控芯片控制下呈現設備狀態信息；各類傳感器實時采集現場數據給主控芯片，處理后的關鍵數據存至存儲芯片長期保存。

在選型時，極海主控芯片的高性能與豐富資源契合工業設備需求，CSNP4GCR01-DPW SD NAND的小巧尺寸、工業級可靠性及4Gb大容量，與主控芯片完美配合，構建出穩定高效的技術方案，為工業設備可靠運行提供堅實保障。相比傳統TF卡更穩定，比eMMC更具成本優勢，是工業存儲應用的理想選擇。

3.核心技術特性

3.1.主控芯片：APM32F465VET6

極海APM32工業級微控制器：APM32F465VET6作為核心控制單元，基于 Arm? Cortex?-M4F 內核打造，專為高可靠的工業級嵌入式存儲場景優化。其 168M主頻結合SD/eMMC接口，可實現sd nand存儲芯片的持續讀寫速度，確保工業級數據吞吐效率。

3.3.存儲芯片：CSNP4GCR01-DPW

3.3.1. 基本概述

• 型號：CSNP4GCR01-DPW
• 類型：NAND FLASH（兼容SD協議的貼片式TF卡）
• 容量：4Gb（512MB）大容量。
• 封裝：LGA-8（常見為8引腳，緊湊型設計，適合空間受限場景）。

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3.3.2. 核心特性

• 接口協議：
  • 兼容SD 2.0標準，支持SPI模式或SD模式，便于與主流MCU連接。
• 存儲介質：
  • 采用SLC NAND，提供高可靠性和均衡擦寫壽命。
• 性能參數：
  • 讀寫速度典型值約10-20MB/s（依賴主控和接口模式）。
  • 擦寫次數：通常10萬次以上（SLC方案更優）。
• 內置控制器：
  • 集成Flash管理功能（壞塊處理、ECC糾錯、磨損均衡），簡化開發。

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3.3.3. 優勢特點

• 免驅動：
  即貼即用，直連SD/SPI接口即可使用，已內置Flash管理程序

• 可貼機：
  生產效率高/焊接穩定，LGA-8封裝，機貼手貼都方便

• 小尺寸：
  尺寸小巧(6*8mm)，助力產品顏值提升

• 擦寫壽命長：
  擦寫壽命長(內置SLC晶圓，擦寫壽命可達5-10萬次，為嵌入式而生)

• 穩定可靠：
  穩定可靠:已通過10k次隨機掉電高低溫沖擊測試。內置FW包含平均讀寫，壞塊管理，垃圾回收等處理機制
  

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3.3.4 四大管理算法

• 平均讀寫算法：
  NAND Flash的塊存在擦寫壽命的限制。在有擦寫動作時，SDNAND會調用平均讀寫算法，避免只擦寫某一部分物理塊。從而達到整體物理塊的可用壽命一致。提高SDNAND整體使用壽命和穩定性。

• 自帶校驗算法：
  NAND Flash在存儲數據時存在位反轉和位偏移現象。因此數據在寫入NAND Flash后需加上校驗位。當數據出現錯誤時，SDNAND先會調用錯誤探測算法(EDC)發出提示，然后調用錯誤糾正算法(ECC)對錯誤數據進行修復。

• 電荷散射算法：
  NAND Flash如果對集中的物理塊進行擦寫動作，產生的強電場會影響到周邊的塊。SDNAND采用均衡電荷散射算法，可以把擦寫的塊在物理上均勻分布，電場相互抵消，降低擦寫操作對周邊塊的影響。

• 垃圾回收算法：
  NAND Flash在更新數據時，新數據會寫入到空白塊中，存儲舊數據的塊會被標識為垃圾。隨著”垃圾數據”的日積月累，SDNAND會主動將有效數據塊搬移，然后執行整個垃圾塊擦除以回收空間。

4.存儲芯片性能實測

本次實測，使用的雷龍發展官方提供的測試板，搭載的芯片是CSNP4GCR01-DPW：一顆標稱容量為512MB的工業級貼片式TF芯片。

4.1.讀寫性能

由于工業電表對于讀寫性能要求還是比較高的。在收到測試板后，第一時間進行了讀寫性能測試。

測試數據為64MiB

測試數據為128MiB

4.2.參數說明

CrystalDiskMark 是一款常用的磁盤性能測試工具，其測試項目中的參數含義如下：

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1. SEQ1M Q8T1

• SEQ（Sequential）：順序讀寫，測試磁盤連續讀寫大文件時的性能（模擬大文件傳輸場景）。
• 1M：測試使用的數據塊大小為 1MiB（1,048,576字節）。
• Q8T1：
  • Q8（Queue Depth 8）：隊列深度為 8，表示同時發起 8 個 I/O 請求。
  • T1（Thread 1）：單線程測試。
• 意義：反映硬盤在高隊列深度、順序讀寫場景下的性能（如拷貝大型視頻文件）。

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2. SEQ1M Q1T1

• 參數與上述相同，但：
  • Q1（Queue Depth 1）：隊列深度為 1（單次 I/O 請求）。
• 意義：測試硬盤在無并發請求、順序讀寫時的性能（更接近日常單任務場景，如加載游戲或啟動系統）。

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3. RND4K Q32T1

• RND（Random）：隨機讀寫，測試磁盤處理小文件、零散數據的能力（模擬操作系統或數據庫場景）。
• 4K：測試使用的數據塊大小為 4KiB（4,096字節，常見于系統小文件操作）。
• Q32T1：
  • Q32：隊列深度為 32（高強度并發請求）。
  • T1：單線程。
• 意義：反映硬盤在高并發隨機小文件讀寫下的性能（如數據庫、虛擬機運行）。

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4. RND4K Q1T1

• 參數與上述相同，但：
  • Q1：隊列深度為 1（單次請求）。
• 意義：測試硬盤在無并發、隨機小文件讀寫時的性能（如日常輕量使用場景）。

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測試項	數據塊	讀寫類型	隊列深度	線程數	典型應用場景
SEQ1M Q8T1	1MiB	順序	8	1	大文件連續讀寫（視頻編輯）
SEQ1M Q1T1	1MiB	順序	1	1	單任務大文件傳輸
RND4K Q32T1	4KiB	隨機	32	1	高負載數據庫/多任務小文件
RND4K Q1T1	4KiB	隨機	1	1	日常系統操作（開機/啟動軟件）

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4.3 數據總結

從測試結果可以看到：

1. CSNP4GCR01-DPW的順序讀可以達到23MB/s左右，順序寫也可以達到18MB/s上下。
2. CSNP4GCR01-DPW的隨機讀可以突破6MB/s，隨機寫也可以達到4MB/s以上。

總的來說，這顆芯片的讀寫速度還是非常優秀的，完全可以滿足電表集中器的存儲需求。

5.行業展望

工業電表正站在智能化與可持續發展的交匯點上。隨著工業4.0、智能電網和碳中和政策的加速落地，電表的功能將從單純的計量工具進化為能源管理的核心樞紐。未來，邊緣計算、AI算法和物聯網技術的深度集成將推動電表實現數據實時分析、遠程運維和碳足跡追蹤等能力。同時，高可靠性存儲方案（如雷龍的CSNP4GCR01-DPW）和高性能主控芯片（如極海APM32F465VET6）的普及，尤其是工業級的存儲解決方案，是確保設備在復雜工業環境下的穩定運行的重中之重，將會為工業數字化轉型提供堅實基礎。主要體現在三大方向：

• 數據安全與穩定性：工業場景需應對高溫、振動、電磁干擾等極端條件，傳統插拔式存儲因接觸不良導致的故障率難以滿足需求，而貼片式SLC NAND通過固態封裝、內置壞塊管理算法，將可靠性提升至工業級標準（10萬次擦寫壽命）。
• 實時性與容量升級：工業電表需長期存儲高頻采集的用電數據（如電壓、電流、諧波等），并支持遠程傳輸與AI分析。未來存儲芯片將向大容量（GB級）、低延遲（支持隨機讀寫4MB/s以上）方向發展，同時兼容高速接口（如SD 3.0或UHS-I）。
• 國產化替代加速：本土廠商在SLC NAND領域實現技術突破，逐步替代海外品牌，推動供應鏈自主可控。預計到2028年，工業存儲芯片國產化率將顯著提升，降低設備成本。

未來，工業存儲芯片的競爭將聚焦于長壽命SLC NAND的工藝優化（如提升晶圓良率）、嵌入式管理算法創新（如動態磨損均衡、智能糾錯）以及定制化封裝設計（適應工業設備小型化需求）。隨著亞太地區新能源項目和制造業升級的推進，工業存儲芯片市場有望以年均15%以上的增速增長，成為半導體產業中最具潛力的細分賽道之一。

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