基于混合信號微控制器的新型電表將自動收集和跟蹤有關(guān)用電量的數(shù)據(jù)。新儀表將比其機械前身更準(zhǔn)確、更可靠、更靈活。本應(yīng)用筆記討論了在設(shè)計基于微控制器的下一代電表時必須解決的幾個主題。本文介紹了儀表的參考設(shè)計。

介紹

信不信由你，電力公司的首要任務(wù)不是發(fā)電或配電，甚至不是客戶服務(wù)。它是計費。想想每個月，成千上萬的抄表員從一個家開車到另一個家，手動抄表數(shù)百萬個電表。然后將收集的數(shù)據(jù)輸入計費系統(tǒng)，最常見的是工人閱讀日志并敲擊數(shù)據(jù)。這支名副其實的抄表員和辦公室工作人員大軍，就像任何事情一樣，是使公用事業(yè)公司保持財務(wù)活力的原因。但對于公用事業(yè)公司來說，這筆勞動力費用在很大程度上是間接費用。公用事業(yè)公司需要雇用和培訓(xùn)這批員工的原因是電表——通常是裝在玻璃柜中的旋轉(zhuǎn)盤，并附有機械計數(shù)器。使用這樣的儀表，自動化是困難的。

新一代電表有望實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和跟蹤的自動化。基于微控制器而不是旋轉(zhuǎn)盤，下一代電表可以比機械電表更準(zhǔn)確、更可靠、更靈活。除了計算和自動報告客戶使用的千瓦時數(shù)外，基于微控制器的電表還可以跟蹤使用時間、需要多少峰值功率以及功率因數(shù)是否在可接受的范圍內(nèi)。

本文介紹如何通過現(xiàn)代混合信號微控制器和一些附加部件構(gòu)建這樣的電表。

選擇合適的微控制器

過去，微控制器僅限于大多數(shù)實際系統(tǒng)中的輔助角色。這有兩個原因：首先，大多數(shù)微控制器的速度和存儲資源非常有限;其次，微控制器設(shè)備是嚴(yán)格數(shù)字化的——任何模擬外設(shè)都將代表另一個芯片和更多的支持組件。

現(xiàn)代混合信號微控制器結(jié)束了這些限制。這些微控制器結(jié)合了高性能模擬電路、高速 CPU 內(nèi)核以及全系列通信和顯示外設(shè)，是現(xiàn)代電表的核心。

硬件組件

當(dāng)然，選擇微控制器只是第一步。還必須選擇元件來縮放負(fù)載中的電壓和電流波形，為通信通道提供物理層，并提供非易失性數(shù)據(jù)存儲。

推導(dǎo)電壓波形很簡單：線路兩端的分壓器可以很好地工作。為了提供許多ADC器件所需的-1V至+1V電壓，需要將240V電路上的電壓波形分頻為400：1至600：1。分頻后的單極點RC濾波器執(zhí)行抗混疊任務(wù)。

測量負(fù)載中的電流可以通過多種方式進(jìn)行，但最常用的兩種方法是使用電流互感器或分流器。電流互感器在其次級電路中產(chǎn)生與初級電路中的電流成比例的電壓。本參考設(shè)計中使用的分流器（圖 1）會因電阻兩端的 IR 壓降而產(chǎn)生電壓。為了保持較低的功耗，分流電阻通常在250μΩ至500μΩ范圍內(nèi)。

圖1.混合信號微控制器是復(fù)雜的多功能、多速率電表的核心。參考設(shè)計基于MAXQ3120混合信號微控制器。該微控制器結(jié)合了一個強大的模擬前端（包括雙通道16位ADC，

帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源）和一個功能強大的數(shù)字模塊（由16位RISC內(nèi)核、乘法累加單元、兩個UART通道和一個集成LCD控制器組成）。

在較舊的功率計中，通信不是問題。讀取機械儀表時，讀取器只需將計數(shù)器中的值復(fù)制到日志中即可。但現(xiàn)代電表使用其通信通道通過兩種機制傳輸計費信息和配置數(shù)據(jù)：非接觸式和聯(lián)網(wǎng)。此設(shè)計同時提供兩者。

非接觸式讀取器傳輸能源使用數(shù)據(jù)，而無需設(shè)備與儀表進(jìn)行物理接觸。通常，手持式儀器使用紅外鏈路傳輸數(shù)據(jù)。在這種安排中，公用事業(yè)工作人員將讀卡器設(shè)備指向儀表，就像人們可能使用遙控器操作電視一樣。請求數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)綔y量儀，測量儀使用請求的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。此使用情況數(shù)據(jù)存儲在讀取器上，直到可以傳輸?shù)接嬞M系統(tǒng)。

聯(lián)網(wǎng)電表通常位于多戶住宅中，例如公寓樓。在這樣的安裝中，建筑物中的所有儀表都在網(wǎng)絡(luò)上與控制器“對話”，控制器每月輪詢一次。然后，控制器格式化一組包含使用情況數(shù)據(jù)的消息，以傳輸?shù)接嬞M機構(gòu)。該儀表使用RS-485作為網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)。

對于非易失性存儲，儀表包含一個I2C EEPROM 器件。串行存儲設(shè)備多年來一直提供可靠的服務(wù)，尺寸從 64 位到 1Mb 或更大。此設(shè)計中使用的設(shè)備為 128kb。

儀表行為分析

一旦硬件設(shè)計確定，下一個問題是軟件。但在編寫第一行代碼之前，系統(tǒng)設(shè)計人員必須確定儀表的行為方式。也就是說，儀表實際預(yù)期要做什么？

對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說幸運的是，這個問題在很大程度上在國際標(biāo)準(zhǔn)中得到了解答。IEC 61036 規(guī)定了“1 類”（1% 精度）或“2 類”（2% 精度）電表。該標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了精度，還規(guī)定了機械、環(huán)境和安全參數(shù)。簡而言之，IEC 61036文件描述了什么是電表。該標(biāo)準(zhǔn)幾乎在每個國家都以這樣或那樣的形式被采用為國家標(biāo)準(zhǔn)。

但I(xiàn)EC 61036沒有規(guī)定必須遵循的通信協(xié)議。這是一個問題，因為對于主機和電表之間通信的物理媒體、消息協(xié)議或語義，沒有單一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

在這里介紹的參考設(shè)計中，我們確定了中國標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645。該文檔描述了儀表（和主機）必須遵循的物理層、數(shù)據(jù)包格式和傳輸規(guī)則。

軟件

儀表軟件大致可分為兩個功能塊。第一個是DSP子系統(tǒng)。它從ADC通道接收電壓和電流樣本，并計算電壓、電流、功率和累計能耗。第二個塊是會計子系統(tǒng)。它從DSP子系統(tǒng)中獲取計算出的能量，并將其累積到幾個電價寄存器之一中。記帳子系統(tǒng)還管理通信、存儲和顯示。

測量能量的過程從DSP子系統(tǒng)開始。每次從ADC通道接收采樣集時（在本設(shè)計中為每48μs），電壓和電流采樣都會相乘并累加。瞬時電壓和電流的乘積就是瞬時功率，可以累積起來計算能量使用量。波形也經(jīng)過低通濾波以找到過零點。每次過零時，都會通知記帳子系統(tǒng)。

發(fā)出警報時，記帳子系統(tǒng)會將來自 DSP 的累積能量轉(zhuǎn)儲到更大的累加器中，并清除 DSP 累加器。當(dāng)積累了足夠的能量后，記帳子系統(tǒng)就會更新EEPROM中累積的能量寄存器。記帳子系統(tǒng)無法在每次過零時更新 EEPROM，因為大多數(shù) EEPROM 設(shè)備在一定數(shù)量的寫入周期后會磨損。

通信

通信子系統(tǒng)必須執(zhí)行四個任務(wù)。首先，某些進(jìn)程必須從通信驅(qū)動程序接收字節(jié)流，并確定何時收到有效消息。其次，某些進(jìn)程必須接收經(jīng)過驗證的消息，并確定它們的含義以及應(yīng)采取的操作。第三，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好傳輸時，某些過程必須確保原始數(shù)據(jù)的格式適合通信數(shù)據(jù)包。最后，進(jìn)程必須以物理方式生成數(shù)據(jù)包，并將其逐字節(jié)發(fā)送到通信驅(qū)動程序。在此參考設(shè)計中，這四個任務(wù)分別稱為消息檢查器、消息解碼器、消息格式化程序和消息生成器。

當(dāng)接收并解碼有效消息時，請求很可能是讓儀表發(fā)送一些測量值（能量、電壓、功率等），或者發(fā)送或設(shè)置一些操作參數(shù)（儀表常數(shù)、序列號等）。無論哪種情況，請求都會被引用給注冊管理器。該軟件組件負(fù)責(zé)讀取、寫入和維護(hù) DL/T 645 協(xié)議中定義的數(shù)百個寄存器。有關(guān)更具體的詳細(xì)信息，請參閱應(yīng)用筆記3819（見上文）中的軟件討論。

顯示

顯示管理器確定要顯示的數(shù)據(jù)元素以及如何顯示它們。讓某些東西出現(xiàn)在微控制器的顯示器上再簡單不過了：軟件只是更新寄存器，芯片中的顯示控制器硬件完成其余的工作。

顯示控制器選擇要顯示的項目，并將其格式化為LCD。在此設(shè)計中，儀表顯示一天中的時間、日期和累積的能量。然后，它會等待規(guī)定的秒數(shù)，然后選擇下一項并為LCD格式化。

附表

基于微控制器的電表的一個優(yōu)點是，它可以將能源使用量分配給幾個關(guān)稅期之一，這些關(guān)稅期由一天中的時間和日期定義。在此參考設(shè)計中，計劃經(jīng)理確定關(guān)稅期間。計劃經(jīng)理每分鐘檢查新的關(guān)稅期是否有效。如果是，計劃管理器將更新包含關(guān)稅期編號的 RAM 變量。

顯然，計劃管理器需要一個準(zhǔn)確的時鐘;電表設(shè)計以兩種方式之一提供時鐘。首先，微控制器包含一個32位UNIX兼容系統(tǒng)時鐘，并配有備用電池。雖然簡單且具有成本效益，但控制時鐘的晶體沒有溫度補償，并且在暴露于溫度變化時可能會漂移。

如果需要更精確的時鐘，可以使用外部溫度補償時間時鐘。這些器件包含一個內(nèi)置溫度傳感器和硬件，可調(diào)整時鐘工作頻率，以補償影響所有晶體振蕩器隨溫度變化的自然漂移。通過使用溫度補償時鐘，可在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)30秒/月的精度。

結(jié)論

計量電力的方法正在迅速變化。幾年之內(nèi)，輪式儀表將像撥號電話一樣古樸。新一代微控制器設(shè)備正在為電力基礎(chǔ)設(shè)施鋪平道路，為電力服務(wù)提供商提供更高的計費準(zhǔn)確性、安全性和更多選擇。

審核編輯：郭婷