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用電量的數據。新儀表將比其機械前身更準確、更可靠、更靈活。本應用筆記討論了在設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計。

介紹

信不信由你，電力公司的首要任務不是發電或配電，甚至不是客戶服務。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，手動抄表數百萬個電表。然后將收集的數據輸入計費系統，最常見的是工人閱讀日志并敲擊數據。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，是使公用事業公司保持財務活力的原因。但對于公用事業公司來說，這筆勞動力費用在很大程度上是間接費用。公用事業公司需要雇用和培訓這批員工的原因是電表——通常是裝在玻璃柜中的旋轉盤，并附有機械計數器。使用這樣的儀表，自動化是困難的。

新一代電表有望實現數據收集和跟蹤的自動化。基于微控制器而不是旋轉盤，下一代電表可以比機械電表更準確、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是否在可接受的范圍內。

本文介紹如何通過現代混合信號微控制器和一些附加部件構建這樣的電表。

選擇合適的微控制器

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

現代混合信號微控制器結束了這些限制。這些微控制器結合了高性能模擬電路、高速 CPU 內核以及全系列通信和顯示外設，是現代電表的核心。

硬件組件

當然，選擇微控制器只是第一步。還必須選擇元件來縮放負載中的電壓和電流波形，為通信通道提供物理層，并提供非易失性數據存儲。

推導電壓波形很簡單：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濾波器執行抗混疊任務。

測量負載中的電流可以通過多種方式進行，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生與初級電路中的電流成比例的電壓。本參考設計中使用的分流器（圖 1）會因電阻兩端的 IR 壓降而產生電壓。為了保持較低的功耗，分流電阻通常在250μΩ至500μΩ范圍內。

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

帶內部基準電壓源）和一個功能強大的數字模塊（由16位RISC內核、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，讀取器只需將計數器中的值復制到日志中即可。但現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據：非接觸式和聯網。此設計同時提供兩者。

非接觸式讀取器傳輸能源使用數據，而無需設備與儀表進行物理接觸。通常，手持式儀器使用紅外鏈路傳輸數據。在這種安排中，公用事業工作人員將讀卡器設備指向儀表，就像人們可能使用遙控器操作電視一樣。請求數據包被傳輸到測量儀，測量儀使用請求的數據進行響應。此使用情況數據存儲在讀取器上，直到可以傳輸到計費系統。

聯網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絡上與控制器“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據的消息，以傳輸到計費機構。該儀表使用RS-485作為網絡的物理介質。

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

儀表行為分析

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

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

但IEC 61036沒有規定必須遵循的通信協議。這是一個問題，因為對于主機和電表之間通信的物理媒體、消息協議或語義，沒有單一的國際標準。

在這里介紹的參考設計中，我們確定了中國標準DL/T 645。該文檔描述了儀表（和主機）必須遵循的物理層、數據包格式和傳輸規則。

軟件

儀表軟件大致可分為兩個功能塊。第一個是DSP子系統。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。它從DSP子系統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。記帳子系統還管理通信、存儲和顯示。

測量能量的過程從DSP子系統開始。每次從ADC通道接收采樣集時（在本設計中為每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。

發出警報時，記帳子系統會將來自 DSP 的累積能量轉儲到更大的累加器中，并清除 DSP 累加器。當積累了足夠的能量后，記帳子系統就會更新EEPROM中累積的能量寄存器。記帳子系統無法在每次過零時更新 EEPROM，因為大多數 EEPROM 設備在一定數量的寫入周期后會磨損。

通信

通信子系統必須執行四個任務。首先，某些進程必須從通信驅動程序接收字節流，并確定何時收到有效消息。其次，某些進程必須接收經過驗證的消息，并確定它們的含義以及應采取的操作。第三，當數據準備好傳輸時，某些過程必須確保原始數據的格式適合通信數據包。最后，進程必須以物理方式生成數據包，并將其逐字節發送到通信驅動程序。在此參考設計中，這四個任務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。

當接收并解碼有效消息時，請求很可能是讓儀表發送一些測量值（能量、電壓、功率等），或者發送或設置一些操作參數（儀表常數、序列號等）。無論哪種情況，請求都會被引用給注冊管理器。該軟件組件負責讀取、寫入和維護 DL/T 645 協議中定義的數百個寄存器。有關更具體的詳細信息，請參閱應用筆記3819（見上文）中的軟件討論。

顯示

顯示管理器確定要顯示的數據元素以及如何顯示它們。讓某些東西出現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，它會等待規定的秒數，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點是，它可以將能源使用量分配給幾個關稅期之一，這些關稅期由一天中的時間和日期定義。在此參考設計中，計劃經理確定關稅期間。計劃經理每分鐘檢查新的關稅期是否有效。如果是，計劃管理器將更新包含關稅期編號的 RAM 變量。

顯然，計劃管理器需要一個準確的時鐘;電表設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置溫度傳感器和硬件，可調整時鐘工作頻率，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，可在整個工業溫度范圍內實現30秒/月的精度。

結論

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

審核編輯：郭婷