采用低成本微控制器的电能计量

基于混合信号微控制器的新型电表将自动收集和跟踪有关用电量的数据。新仪表将比其机械前身更准确、更可靠、更灵活。本应用笔记讨论了在设计基于微控制器的下一代电表时必须解决的几个主题。本文介绍了仪表的参考设计。

介绍

信不信由你，电力公司的首要任务不是发电或配电，甚至不是客户服务。它是计费。想想每个月，成千上万的抄表员从一个家开车到另一个家，手动抄表数百万个电表。然后将收集的数据输入计费系统，最常见的是工人阅读日志并敲击数据。这支名副其实的抄表员和办公室工作人员大军，就像任何事情一样，是使公用事业公司保持财务活力的原因。但对于公用事业公司来说，这笔劳动力费用在很大程度上是间接费用。公用事业公司需要雇用和培训这批员工的原因是电表——通常是装在玻璃柜中的旋转盘，并附有机械计数器。使用这样的仪表，自动化是困难的。

新一代电表有望实现数据收集和跟踪的自动化。基于微控制器而不是旋转盘，下一代电表可以比机械电表更准确、更可靠、更灵活。除了计算和自动报告客户使用的千瓦时数外，基于微控制器的电表还可以跟踪使用时间、需要多少峰值功率以及功率因数是否在可接受的范围内。

本文介绍如何通过现代混合信号微控制器和一些附加部件构建这样的电表。

选择合适的微控制器

过去，微控制器仅限于大多数实际系统中的辅助角色。这有两个原因：首先，大多数微控制器的速度和存储资源非常有限;其次，微控制器设备是严格数字化的——任何模拟外设都将代表另一个芯片和更多的支持组件。

现代混合信号微控制器结束了这些限制。这些微控制器结合了高性能模拟电路、高速 CPU 内核以及全系列通信和显示外设，是现代电表的核心。

硬件组件

当然，选择微控制器只是第一步。还必须选择元件来缩放负载中的电压和电流波形，为通信通道提供物理层，并提供非易失性数据存储。

推导电压波形很简单：线路两端的分压器可以很好地工作。为了提供许多ADC器件所需的-1V至+1V电压，需要将240V电路上的电压波形分频为400：1至600：1。分频后的单极点RC滤波器执行抗混叠任务。

测量负载中的电流可以通过多种方式进行，但最常用的两种方法是使用电流互感器或分流器。电流互感器在其次级电路中产生与初级电路中的电流成比例的电压。本参考设计中使用的分流器（图 1）会因电阻两端的 IR 压降而产生电压。为了保持较低的功耗，分流电阻通常在250μΩ至500μΩ范围内。

图1.混合信号微控制器是复杂的多功能、多速率电表的核心。参考设计基于MAXQ3120混合信号微控制器。该微控制器结合了一个强大的模拟前端（包括双通道16位ADC，

带内部基准电压源）和一个功能强大的数字模块（由16位RISC内核、乘法累加单元、两个UART通道和一个集成LCD控制器组成）。

在较旧的功率计中，通信不是问题。读取机械仪表时，读取器只需将计数器中的值复制到日志中即可。但现代电表使用其通信通道通过两种机制传输计费信息和配置数据：非接触式和联网。此设计同时提供两者。

非接触式读取器传输能源使用数据，而无需设备与仪表进行物理接触。通常，手持式仪器使用红外链路传输数据。在这种安排中，公用事业工作人员将读卡器设备指向仪表，就像人们可能使用遥控器操作电视一样。请求数据包被传输到测量仪，测量仪使用请求的数据进行响应。此使用情况数据存储在读取器上，直到可以传输到计费系统。

联网电表通常位于多户住宅中，例如公寓楼。在这样的安装中，建筑物中的所有仪表都在网络上与控制器“对话”，控制器每月轮询一次。然后，控制器格式化一组包含使用情况数据的消息，以传输到计费机构。该仪表使用RS-485作为网络的物理介质。

对于非易失性存储，仪表包含一个I2C EEPROM 器件。串行存储设备多年来一直提供可靠的服务，尺寸从 64 位到 1Mb 或更大。此设计中使用的设备为 128kb。

仪表行为分析

一旦硬件设计确定，下一个问题是软件。但在编写第一行代码之前，系统设计人员必须确定仪表的行为方式。也就是说，仪表实际预期要做什么？

对于系统设计人员来说幸运的是，这个问题在很大程度上在国际标准中得到了解答。IEC 61036 规定了“1 类”（1% 精度）或“2 类”（2% 精度）电表。该标准不仅规定了精度，还规定了机械、环境和安全参数。简而言之，IEC 61036文件描述了什么是电表。该标准几乎在每个国家都以这样或那样的形式被采用为国家标准。

但IEC 61036没有规定必须遵循的通信协议。这是一个问题，因为对于主机和电表之间通信的物理媒体、消息协议或语义，没有单一的国际标准。

在这里介绍的参考设计中，我们确定了中国标准DL/T 645。该文档描述了仪表（和主机）必须遵循的物理层、数据包格式和传输规则。

软件

仪表软件大致可分为两个功能块。第一个是DSP子系统。它从ADC通道接收电压和电流样本，并计算电压、电流、功率和累计能耗。第二个块是会计子系统。它从DSP子系统中获取计算出的能量，并将其累积到几个电价寄存器之一中。记帐子系统还管理通信、存储和显示。

测量能量的过程从DSP子系统开始。每次从ADC通道接收采样集时（在本设计中为每48μs），电压和电流采样都会相乘并累加。瞬时电压和电流的乘积就是瞬时功率，可以累积起来计算能量使用量。波形也经过低通滤波以找到过零点。每次过零时，都会通知记帐子系统。

发出警报时，记帐子系统会将来自 DSP 的累积能量转储到更大的累加器中，并清除 DSP 累加器。当积累了足够的能量后，记帐子系统就会更新EEPROM中累积的能量寄存器。记帐子系统无法在每次过零时更新 EEPROM，因为大多数 EEPROM 设备在一定数量的写入周期后会磨损。

通信

通信子系统必须执行四个任务。首先，某些进程必须从通信驱动程序接收字节流，并确定何时收到有效消息。其次，某些进程必须接收经过验证的消息，并确定它们的含义以及应采取的操作。第三，当数据准备好传输时，某些过程必须确保原始数据的格式适合通信数据包。最后，进程必须以物理方式生成数据包，并将其逐字节发送到通信驱动程序。在此参考设计中，这四个任务分别称为消息检查器、消息解码器、消息格式化程序和消息生成器。

当接收并解码有效消息时，请求很可能是让仪表发送一些测量值（能量、电压、功率等），或者发送或设置一些操作参数（仪表常数、序列号等）。无论哪种情况，请求都会被引用给注册管理器。该软件组件负责读取、写入和维护 DL/T 645 协议中定义的数百个寄存器。有关更具体的详细信息，请参阅应用笔记3819（见上文）中的软件讨论。

显示

显示管理器确定要显示的数据元素以及如何显示它们。让某些东西出现在微控制器的显示器上再简单不过了：软件只是更新寄存器，芯片中的显示控制器硬件完成其余的工作。

显示控制器选择要显示的项目，并将其格式化为LCD。在此设计中，仪表显示一天中的时间、日期和累积的能量。然后，它会等待规定的秒数，然后选择下一项并为LCD格式化。

附表

基于微控制器的电表的一个优点是，它可以将能源使用量分配给几个关税期之一，这些关税期由一天中的时间和日期定义。在此参考设计中，计划经理确定关税期间。计划经理每分钟检查新的关税期是否有效。如果是，计划管理器将更新包含关税期编号的 RAM 变量。

显然，计划管理器需要一个准确的时钟;电表设计以两种方式之一提供时钟。首先，微控制器包含一个32位UNIX兼容系统时钟，并配有备用电池。虽然简单且具有成本效益，但控制时钟的晶体没有温度补偿，并且在暴露于温度变化时可能会漂移。

如果需要更精确的时钟，可以使用外部温度补偿时间时钟。这些器件包含一个内置温度传感器和硬件，可调整时钟工作频率，以补偿影响所有晶体振荡器随温度变化的自然漂移。通过使用温度补偿时钟，可在整个工业温度范围内实现30秒/月的精度。

结论

计量电力的方法正在迅速变化。几年之内，轮式仪表将像拨号电话一样古朴。新一代微控制器设备正在为电力基础设施铺平道路，为电力服务提供商提供更高的计费准确性、安全性和更多选择。

审核编辑：郭婷