基于混合信號(hào)微控制器的新型電表將自動(dòng)收集和跟蹤有關(guān)用電量的數(shù)據(jù)。新儀表將比其機(jī)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(jì)基于微控制器的下一代電表時(shí)必須解決的幾個(gè)主題。本文介紹了儀表的參考設(shè)計(jì)。

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(hù)服務(wù)。它是計(jì)費(fèi)。想想每個(gè)月，成千上萬(wàn)的抄表員從一個(gè)家開(kāi)車(chē)到另一個(gè)家，手動(dòng)抄表數(shù)百萬(wàn)個(gè)電表。然后將收集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，最常見(jiàn)的是工人閱讀日志并敲擊數(shù)據(jù)。這支名副其實(shí)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(cái)務(wù)活力的原因。但對(duì)于公用事業(yè)公司來(lái)說(shuō)，這筆勞動(dòng)力費(fèi)用在很大程度上是間接費(fèi)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(pán)，并附有機(jī)械計(jì)數(shù)器。使用這樣的儀表，自動(dòng)化是困難的。

新一代電表有望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和跟蹤的自動(dòng)化。基于微控制器而不是旋轉(zhuǎn)盤(pán)，下一代電表可以比機(jī)械電表更準(zhǔn)確、更可靠、更靈活。除了計(jì)算和自動(dòng)報(bào)告客戶(hù)使用的千瓦時(shí)數(shù)外，基于微控制器的電表還可以跟蹤使用時(shí)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(guò)現(xiàn)代混合信號(hào)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(guò)去，微控制器僅限于大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)中的輔助角色。這有兩個(gè)原因：首先，大多數(shù)微控制器的速度和存儲(chǔ)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(gè)芯片和更多的支持組件。

現(xiàn)代混合信號(hào)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(lái)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(chǔ)。

推導(dǎo)電壓波形很簡(jiǎn)單：線(xiàn)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(diǎn)RC濾波器執(zhí)行抗混疊任務(wù)。

測(cè)量負(fù)載中的電流可以通過(guò)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(jí)電路中產(chǎn)生與初級(jí)電路中的電流成比例的電壓。本參考設(shè)計(jì)中使用的分流器（圖 1）會(huì)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(hào)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(jì)基于MAXQ3120混合信號(hào)微控制器。該微控制器結(jié)合了一個(gè)強(qiáng)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(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字模塊（由16位RISC內(nèi)核、乘法累加單元、兩個(gè)UART通道和一個(gè)集成LCD控制器組成）。

在較舊的功率計(jì)中，通信不是問(wèn)題。讀取機(jī)械儀表時(shí)，讀取器只需將計(jì)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(guò)兩種機(jī)制傳輸計(jì)費(fèi)信息和配置數(shù)據(jù)：非接觸式和聯(lián)網(wǎng)。此設(shè)計(jì)同時(shí)提供兩者。

非接觸式讀取器傳輸能源使用數(shù)據(jù)，而無(wú)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(qǐng)求數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)綔y(cè)量?jī)x，測(cè)量?jī)x使用請(qǐng)求的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。此使用情況數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在讀取器上，直到可以傳輸?shù)接?jì)費(fèi)系統(tǒng)。

聯(lián)網(wǎng)電表通常位于多戶(hù)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(duì)話(huà)”，控制器每月輪詢(xún)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?jì)費(fèi)機(jī)構(gòu)。該儀表使用RS-485作為網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)。

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

儀表行為分析

一旦硬件設(shè)計(jì)確定，下一個(gè)問(wèn)題是軟件。但在編寫(xiě)第一行代碼之前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確定儀表的行為方式。也就是說(shuō)，儀表實(shí)際預(yù)期要做什么？

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題在很大程度上在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中得到了解答。IEC 61036 規(guī)定了“1 類(lèi)”（1% 精度）或“2 類(lèi)”（2% 精度）電表。該標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了精度，還規(guī)定了機(jī)械、環(huán)境和安全參數(shù)。簡(jiǎn)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(gè)國(guó)家都以這樣或那樣的形式被采用為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

但I(xiàn)EC 61036沒(méi)有規(guī)定必須遵循的通信協(xié)議。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于主機(jī)和電表之間通信的物理媒體、消息協(xié)議或語(yǔ)義，沒(méi)有單一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

在這里介紹的參考設(shè)計(jì)中，我們確定了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645。該文檔描述了儀表（和主機(jī)）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(gè)功能塊。第一個(gè)是DSP子系統(tǒng)。它從ADC通道接收電壓和電流樣本，并計(jì)算電壓、電流、功率和累計(jì)能耗。第二個(gè)塊是會(huì)計(jì)子系統(tǒng)。它從DSP子系統(tǒng)中獲取計(jì)算出的能量，并將其累積到幾個(gè)電價(jià)寄存器之一中。記帳子系統(tǒng)還管理通信、存儲(chǔ)和顯示。

測(cè)量能量的過(guò)程從DSP子系統(tǒng)開(kāi)始。每次從ADC通道接收采樣集時(shí)（在本設(shè)計(jì)中為每48μs），電壓和電流采樣都會(huì)相乘并累加。瞬時(shí)電壓和電流的乘積就是瞬時(shí)功率，可以累積起來(lái)計(jì)算能量使用量。波形也經(jīng)過(guò)低通濾波以找到過(guò)零點(diǎn)。每次過(guò)零時(shí)，都會(huì)通知記帳子系統(tǒng)。

發(fā)出警報(bào)時(shí)，記帳子系統(tǒng)會(huì)將來(lái)自 DSP 的累積能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)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(huì)更新EEPROM中累積的能量寄存器。記帳子系統(tǒng)無(wú)法在每次過(guò)零時(shí)更新 EEPROM，因?yàn)榇蠖鄶?shù) EEPROM 設(shè)備在一定數(shù)量的寫(xiě)入周期后會(huì)磨損。

通信

通信子系統(tǒng)必須執(zhí)行四個(gè)任務(wù)。首先，某些進(jìn)程必須從通信驅(qū)動(dòng)程序接收字節(jié)流，并確定何時(shí)收到有效消息。其次，某些進(jìn)程必須接收經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(shí)，某些過(guò)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(dòng)程序。在此參考設(shè)計(jì)中，這四個(gè)任務(wù)分別稱(chēng)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(shí)，請(qǐng)求很可能是讓儀表發(fā)送一些測(cè)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(hào)等）。無(wú)論哪種情況，請(qǐng)求都會(huì)被引用給注冊(cè)管理器。該軟件組件負(fù)責(zé)讀取、寫(xiě)入和維護(hù) DL/T 645 協(xié)議中定義的數(shù)百個(gè)寄存器。有關(guān)更具體的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記3819（見(jiàn)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(jiǎn)單不過(guò)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(xiàng)目，并將其格式化為L(zhǎng)CD。在此設(shè)計(jì)中，儀表顯示一天中的時(shí)間、日期和累積的能量。然后，它會(huì)等待規(guī)定的秒數(shù)，然后選擇下一項(xiàng)并為L(zhǎng)CD格式化。

附表

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

顯然，計(jì)劃管理器需要一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘;電表設(shè)計(jì)以?xún)煞N方式之一提供時(shí)鐘。首先，微控制器包含一個(gè)32位UNIX兼容系統(tǒng)時(shí)鐘，并配有備用電池。雖然簡(jiǎn)單且具有成本效益，但控制時(shí)鐘的晶體沒(méi)有溫度補(bǔ)償，并且在暴露于溫度變化時(shí)可能會(huì)漂移。

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

結(jié)論

計(jì)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(hào)電話(huà)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(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性、安全性和更多選擇。

審核編輯：郭婷