如今用戶電表正逐漸朝著多費(fèi)率、多功能和高精度方向發(fā)展。本文詳細(xì)描述了一種新型單片電表微控制器的功能和應(yīng)用特性，它將使多功能、多費(fèi)率電表設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和可靠，實(shí)現(xiàn)更加高效的電能傳送，最終有效提高電表生產(chǎn)和制造效率。

    傳統(tǒng)的機(jī)械式電表存在一定的局限性，首先，它是一個(gè)機(jī)械裝置。盡管經(jīng)歷一個(gè)多世紀(jì)后人們已能夠制造非?？煽康臋C(jī)械式千瓦時(shí)電表，但機(jī)械裝置的精度還是容易受磨損、震動(dòng)及其它導(dǎo)致位移事件的影響。

    另外一個(gè)限制是機(jī)械電表不能夠記錄時(shí)間，只記錄費(fèi)拉斯輪的旋轉(zhuǎn)數(shù)，無法記錄與之相對(duì)應(yīng)的快速旋轉(zhuǎn)和慢速旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)我們知道用戶的用電需求不是一成不變的，白天的用電需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜晚的需求。特別是在夏季，因?yàn)榭照{(diào)的大量用電需求而導(dǎo)致下午和傍晚的用電量激增。電力公司必須保證供電系統(tǒng)能夠輸送峰值電能等于或高于用戶的峰值用電需求。這意味著在非峰值用電時(shí)間，發(fā)電機(jī)工作在輕負(fù)荷狀態(tài)。由于電能不可以存儲(chǔ)，因此勢(shì)必造成重大的資源浪費(fèi)?；谶@個(gè)原因，電力公司希望采用一些獎(jiǎng)勵(lì)措施來平衡峰值電量需求和谷值電量需求。最好的方法當(dāng)然是采用不同的峰值和谷值電價(jià)。機(jī)械式電表由于不能記錄時(shí)間，因而無法滿足這一要求。

    第三個(gè)局限性就是傳統(tǒng)的機(jī)械式電表只能夠記錄實(shí)時(shí)有功功率。理想情況下，輸入電流和輸入電壓相位完全一致，電壓和電流的乘積就等于實(shí)際輸出的有功電能。然而，實(shí)際情況并非如此，感應(yīng)電機(jī)和熒光燈等用電設(shè)備會(huì)導(dǎo)致電流相位偏離與之對(duì)應(yīng)的電壓相位，只有同相部分的區(qū)域才能形成有功功率，不同相部分的區(qū)域?qū)?huì)以無功功率形式返回電網(wǎng)，結(jié)果實(shí)際有用功率小于輸入電壓和電流的乘積。

    對(duì)于大容量的工業(yè)用電客戶，需要配置相應(yīng)的無功功率電表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)量輸送給客戶的無功功率值。同時(shí)，工業(yè)客戶必須根據(jù)合同約定確保一定標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)。使用多功能電表，電力公司可以輕松擴(kuò)展功率因數(shù)監(jiān)測(cè)范圍至小規(guī)模商業(yè)用戶，某些情況下甚至也可以監(jiān)測(cè)小規(guī)模居所的功率因數(shù)指標(biāo)。

    最后，機(jī)械式電表的抄表計(jì)費(fèi)是一件非常繁瑣的工作。人工現(xiàn)場(chǎng)抄表費(fèi)用昂貴，且容易出錯(cuò)；如果按照不同的價(jià)格區(qū)間分時(shí)計(jì)費(fèi)，那么這個(gè)負(fù)擔(dān)就會(huì)達(dá)到無法接受的程度。因此我們迫切需要采用自動(dòng)集中抄表方案，以提高工作效率，減少人為誤差。

    綜合上述因素，可以得出機(jī)械式電表具有諸多局限，市場(chǎng)迫切需要一種具有更高靈活性、能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量時(shí)間和功率因數(shù)，并且具有更高計(jì)量精度和自動(dòng)抄表能力的新型電表：以微控制器為主控制器的全電子式電能表。

    實(shí)際上，電表制造廠商自1990年以來就已著手設(shè)計(jì)數(shù)字電能表?，F(xiàn)在，新一代的混合信號(hào)微控制器使多功能、多費(fèi)率電表設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單和可靠。

    設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
    最基本的多費(fèi)率、多功能全電子電表所需的基本硬件如下：采集輸入電壓和輸入電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換器、顯示屏、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、非易失存儲(chǔ)器、電源以及內(nèi)嵌程序的微控制器。設(shè)計(jì)者通常希望將上述大部分功能電路與微控制器集成在一起。以Maxim的單片電表微控制器MAXQ3120為例，它在單一硅片上集成了雙路16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，分別用于電壓和電流信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換；兩個(gè)全功能異步串行通信口(其中一個(gè)可以配置為紅外通信模式)；一個(gè)液晶顯示控制器和一個(gè)獨(dú)立的16×16乘法器；另外，芯片上還集成了足夠的數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器，以滿足多費(fèi)率、多功能電表的復(fù)雜要求。

    設(shè)計(jì)多功能電表軟件是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。第一，由于軟件定義了該產(chǎn)品的基本功能，不同區(qū)域和不同應(yīng)用環(huán)境需要采用不同的應(yīng)用軟件，電表的基本功能會(huì)有所差別；第二，雖然采用高級(jí)語(yǔ)言(例如 C語(yǔ)言)編程，但電表應(yīng)用軟件仍然需要根據(jù)不同的硬件運(yùn)行環(huán)境做相應(yīng)的定制化配置。電表硬件系統(tǒng)相對(duì)于操作軟件比較簡(jiǎn)單，這實(shí)際上給電表制造商提供了一個(gè)具有較高生產(chǎn)效率的制造方案。因?yàn)檠b載軟件是生產(chǎn)過程的最后一個(gè)流程，因此我們可以首先開發(fā)電表的基礎(chǔ)電路板，然后根據(jù)最終用戶的要求裝入不同的應(yīng)用軟件。既可以達(dá)到降低、控制制造成本的目的，又可以實(shí)現(xiàn)更靈活的管理模式。Maxim提供采用C語(yǔ)言編寫的參考設(shè)計(jì)程序，它能夠基于最終用戶的需求實(shí)現(xiàn)任意功能軟件的定制服務(wù)。

    電能測(cè)量
    目前大多數(shù)ADC都是電壓輸入器件，測(cè)量輸入電壓信號(hào)比較簡(jiǎn)單，唯一需要注意的就是按比例匹配輸入電壓范圍，使其在ADC可接受的輸入量程內(nèi)。Maxim提供的參考設(shè)計(jì)中采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將電壓輸入轉(zhuǎn)換成微控制器內(nèi)部ADC可接受的-1V到+1V輸入。電流信號(hào)輸入端，采用一個(gè)并聯(lián)電流分流器將電表的電流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào)電壓輸入。通過分流器的電壓信號(hào)必須足夠低，盡量降低功率損耗：一個(gè)0.5m?的分流器(假定輸入******電流等于40A)只能提供20mV的滿擺幅電壓輸出，但其功耗接近1W。

    對(duì)于ADC指標(biāo)，首先，需要了解其精度需求，絕大多數(shù)電表定義在整個(gè)量程范圍達(dá)到1%的測(cè)量精度(注意不是滿量程精度)。Maxim的參考設(shè)計(jì)能夠在1A到40A輸入電流范圍內(nèi)達(dá)到1%的精度。為了達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)要求，電表必須能夠分辨最小10mA的電流信號(hào)，但是在輸入電流達(dá)到40A時(shí)，為了保證ADC不進(jìn)入飽和狀態(tài)，電流比須高達(dá)4,000:1。這樣，ADC的位數(shù)不能低于12位，最好采用14位或更高分辨率的ADC。對(duì)于采樣速率指標(biāo)，根據(jù)奈奎斯特定理，采集最高60Hz的正弦波信號(hào)時(shí)，120Hz的采樣率既可滿足要求。但是，有一些電能表規(guī)格要求能夠高精度地測(cè)量21次諧波頻率的信號(hào)，對(duì)應(yīng)的最高信號(hào)頻率等于1,260Hz，因此采樣頻率必須等于或高于2,520Hz。就目前的ADC設(shè)計(jì)水平，業(yè)界已完全有能力將這樣的ADC與微控制器集成在同一硅片上。

    硬件設(shè)計(jì)分析
    1. 顯示
    參考設(shè)計(jì)采用液晶顯示器作為顯示單元。它的好處是顯而易見的：該顯示器可以指示從能量到電壓以及時(shí)間等任何用戶需要觀察的數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是必須依靠外部電源供電，斷電狀態(tài)下無法觀察任何數(shù)據(jù)。盡管機(jī)械式計(jì)數(shù)器本身具有非易失性，但必須執(zhí)行測(cè)量以確保電表內(nèi)部能保持住最后顯示的讀數(shù)。

    2．通信接口
    目前市場(chǎng)上有許多通信機(jī)制方案欲將所有類型接口集成在一個(gè)外圍單元中。但是，作為一個(gè)廉價(jià)的電能儀表，大部分客戶趨向于盡可能采用簡(jiǎn)單的異步串口協(xié)議。在MAXQ3120&

#30005;表參考設(shè)計(jì)方案中，設(shè)置了兩個(gè)外部的串行通信口。第一個(gè)是基于EIA485標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信口。在EIA485通信網(wǎng)絡(luò)中，采用PC作為網(wǎng)絡(luò)的主控制器。隨著PC輪詢這些電表，它們會(huì)進(jìn)行響應(yīng)，將表示所用電量的數(shù)據(jù)包上傳。PC匯總所有用戶數(shù)據(jù)之后再傳送至計(jì)費(fèi)中心。

    第二個(gè)通信口是紅外發(fā)送和接收系統(tǒng)，它基于簡(jiǎn)單的異步通信協(xié)議。通過簡(jiǎn)單的調(diào)制電路將串口輸出數(shù)據(jù)“0”調(diào)制為38kHz信號(hào)，數(shù)據(jù)“1”則不調(diào)制。接收端采用集成了紅外光電管和38kHz檢測(cè)器的一個(gè)廉價(jià)IC來實(shí)現(xiàn)。這樣只需簡(jiǎn)單的光學(xué)器件就可以組成全功能的紅外收發(fā)系統(tǒng)。

    3．電源
    電源電路最為簡(jiǎn)單。因?yàn)楝F(xiàn)有的微控制器均為低功耗器件，選用一個(gè)基于變壓器的線性電源即可。在參考設(shè)計(jì)電路中，微控制器并沒有與電力線隔離，實(shí)際上，其系統(tǒng)地位于線電壓處。因此，不能將微控制器直接與通信網(wǎng)絡(luò)連接，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備暴露于線電壓下，存在很大的安全隱患。在此設(shè)計(jì)中，采用了一組獨(dú)立的電源變壓器次級(jí)繞組來提供網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的電源，并且收發(fā)器與微控制器采用光耦隔離，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)隔離的目的。

    4．非易失存儲(chǔ)器
    在參考設(shè)計(jì)方案中可以考慮兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的非易失存儲(chǔ)器芯片，一種是半導(dǎo)體EEPROM，另一種是鐵電介質(zhì)隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM)。前者相對(duì)來說非常便宜，但寫入時(shí)間較長(zhǎng)(大部分為毫秒級(jí))，讀寫次數(shù)有限，大概在10,000到1,000,000次之間。表面看起來這是一個(gè)比較高的數(shù)值，但是，如果軟件系統(tǒng)需要在每個(gè)電源周期更新非易失存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，那么對(duì)于50Hz信號(hào)意味著即使最好的EEPROM存儲(chǔ)芯片也只能堅(jiān)持5個(gè)半小時(shí)！實(shí)際應(yīng)用中，我們可以采用緩沖存儲(chǔ)器來避免發(fā)生這種情況，但這樣做非常繁瑣。FRAM以同等價(jià)格解決了上述問題，其寫周期時(shí)間與讀周期時(shí)間幾乎相等，而且對(duì)讀寫次數(shù)沒有限制。

    5．選擇微控制器
    在為電表設(shè)計(jì)選擇微控制器時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：
    a. 特性：微控制器是否具有所需的功能電路，如：集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通信口、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、紅外通信以及顯示控制器。另外還可能需要一些信號(hào)處理單元。

    b. 代碼空間：如果采用C語(yǔ)言編程，預(yù)計(jì)代碼空間設(shè)在16k到64k之間。參考設(shè)計(jì)采用了32k的代碼空間。

    c. 數(shù)據(jù)空間：確保微控制器內(nèi)部有足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，以保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。

    d. ADC：許多微控制器內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但是大部分屬于低速、低性能指標(biāo)的ADC。能夠滿足電表設(shè)計(jì)要求的ADC應(yīng)該具有14位或更高的分辨率，采樣速率可以達(dá)到10ksps以上。

    e. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘：確保內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度達(dá)到每月誤差0.5s。如果大不到，可以考慮采用外部高精度時(shí)鐘模塊。

    軟件支持
    在MAXQ3120參考設(shè)計(jì)中，我們考慮設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)主控程序，主程序可以依照一定的順序調(diào)用所有的任務(wù)子程序；每個(gè)任務(wù)子程序完成一定的工作后很快釋放處理器的控制權(quán)。這個(gè)主控程序習(xí)慣上被稱為“任務(wù)輪”(task wheel)，它類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度器。采用這種方法，任何任務(wù)都將在特定的時(shí)間段運(yùn)行，以保證所有的任務(wù)都有合理占用處理器的時(shí)間資源。軟件架構(gòu)請(qǐng)參考圖2。

    在這個(gè)電表參考軟件中，每一個(gè)任務(wù)子程序都會(huì)監(jiān)控本身的輸入狀態(tài)，以決定下一步的處理流程；如果輸入狀態(tài)沒有改變，那么它只需要簡(jiǎn)單地返回任務(wù)輪主控程序就行了。有一些特定的任務(wù)處理子程序，其輸入信號(hào)來源于外部事件；例如：ADC轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，或者串口接收到相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)流。有些任務(wù)的輸入狀態(tài)則完全來自內(nèi)部事件：一個(gè)累積的能量值需要更新，或者需要更新相關(guān)的顯示內(nèi)容等。對(duì)于這樣的事件，系統(tǒng)會(huì)更新對(duì)應(yīng)的一組二進(jìn)制數(shù)狀態(tài)，這里的每一個(gè)二進(jìn)制位都代表了相應(yīng)任務(wù)子程序的輸入狀態(tài)。我們將這一組二進(jìn)制位稱為“信息板”。

    對(duì)于一個(gè)實(shí)用的電表設(shè)計(jì)，所有的數(shù)據(jù)都采用專用的通信數(shù)據(jù)格式儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。此參考設(shè)計(jì)參考了中國(guó)電表通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)DL/T645，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，用戶數(shù)據(jù)、配置信息和許多命令信息均依靠一系列的寄存器實(shí)現(xiàn)傳輸。為了進(jìn)一步了解多任務(wù)輪主控程序和消息板系統(tǒng)的功能，這里給出一個(gè)紅外終端的讀信息命令處理例程：

    1. 從紅外接收模塊接收到相應(yīng)的字節(jié)數(shù)據(jù)，串口驅(qū)動(dòng)器設(shè)置信息板對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位，送出相應(yīng)的事件任務(wù)給信息檢查程序。

    2. 信息檢測(cè)程序從串口驅(qū)動(dòng)器接收到相應(yīng)的字符數(shù)據(jù)，如果未檢測(cè)到語(yǔ)法