智能多用戶單相卡載一體化電能表的研制

摘要：介紹了一種基于PIC單片機的多用戶卡載一體化電能表的研制，闡明了工作原理和關健技術，給出了硬件、軟件的結(jié)構。所研制的電表采用模塊化設計方案、兼有復費率電表、預付費電表和低壓電力載波集抄式電表的優(yōu)勢，計量精度高、抗干擾性好。

關健詞：電子電能表；多用戶；電力線載波通信

1、概 述

　　我國城市居民住宅建設的迅速發(fā)展，樓房用表日益增多，傳統(tǒng)的將多個電能表集中掛成一面“表墻”的應用方式，成本高，體積大，工程造價高，不利于新型住宅的集中供電管理。多用戶智能電能表的誕生有效地解決了上述難題，該表采用大規(guī)模專用芯片與高性能單片機實時對多個用戶（8-24戶可選）用電量分別計量、集中控制和管理，可方便實現(xiàn)分時計量和遠方自動抄表。

　　當前的自動抄表技術在如何實現(xiàn)高可靠、低成本的數(shù)據(jù)通信問題上遇到很大的困難。現(xiàn)代通信技術為我們提供了諸如電話線、無線電、電力線、雙絞線、光纖等多種可供選擇的通信媒體。低壓電力線遍布各地，不需重新布線，投資和線路維護成本低，其優(yōu)勢極為明顯，深為電力部門青睞。但低壓電力線路的通信環(huán)境惡劣造成抄表實時性差這一現(xiàn)象卻使得供電管理部門難以把抄表數(shù)據(jù)作為向用戶收費的依據(jù)。預付費卡表經(jīng)過多年運行改進，技術相對成熟，已在我國部分城市得到應用，有效地解決了電能計費和電費拖欠的難題。只是卡式電表用戶的買電時間和買電量是隨機的，無法準確知道用戶的當月電量，不能滿足電力管理部門及時了解電網(wǎng)負荷情況和線損統(tǒng)計的要求；電表被攻擊造成控制系統(tǒng)失效后，原始數(shù)據(jù)難以取證認定，記錄的恢復易引發(fā)用電糾紛，電能收費管理處于開環(huán)失控狀態(tài)。本文研制的卡載一體化電能表，兼有預付費電表和低壓電力載波集抄式電表的優(yōu)勢，使用RF卡實現(xiàn)收費控制，載波抄表的數(shù)據(jù)主要用于線損計算和用電信息管理，因而對用電的實時性要求不高，只要保證在一定的時間(如1 –2天)內(nèi)能夠把用電數(shù)據(jù)集中即可。由于本表多個用戶共享一個載波收發(fā)模塊和公用卡接口，成本低，極具市場潛力。

2、電表組成與原理

　　電能表采用多只單用戶計量單元（單臺表最多：5/30A為24戶；5/40A為18戶）、智能處理系統(tǒng)和供電單元設計在同一結(jié)構中，對用戶的用電實現(xiàn)集中計量（單費率或多費率）并顯示各用戶用電狀況及用電量，遠程電力線載波抄表，射頻卡收費控制，實現(xiàn)購電用盡時自動跳閘和過載自動保護。單用戶計量單元采電能計量專用芯片ADE7755，將輸入的瞬時功率轉(zhuǎn)換為相應的電能脈沖輸出，經(jīng)I/0接口送給智能處理系統(tǒng)，分別累積電能、存儲記憶、顯示及串口輸出。智能處理系統(tǒng)采用主從式結(jié)構，主從機之間采用串行通信方式交流信息。主機的主要功能是：（8-24戶）電能脈沖的采集、累積和數(shù)據(jù)處理與存儲；實時時鐘連接；用戶當前剩余電量、購電和時鐘送LED顯示；與從機之間的數(shù)據(jù)傳輸；通過紅外通信口實現(xiàn)時鐘費率設置。從機主要功能是：RF卡的合法性檢驗，讀取RF卡數(shù)據(jù)(命令)；接收主機命令以完成相應各戶繼電器分合控制和狀態(tài)顯示；與載波模塊通信以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳送。多用戶卡載一體化電能表的系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖1（略，詳見《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第6期）所示。

3、硬件電路設計

　　電表的可靠性、使用壽命、計量精度是系統(tǒng)設計時追求的最重要的目標，其實現(xiàn)方法可從軟、硬件兩方面結(jié)合得以完成。隨著單片機及外圍器件多樣化、全方位的發(fā)展，使在硬件上尋求最大限度的系統(tǒng)集成，以減少外圍器件數(shù)量，成為實現(xiàn)系統(tǒng)目標的主要途徑，也是系統(tǒng)設計的關鍵[1]。

　　3.1 單用戶計量單元

　　單用戶計量單元采用美國ADI公司的ADE7755專用計量芯片。它一種高準確度電能測量集成電路，對來自電流和電壓傳感器的信號進行采樣，并產(chǎn)生電能計量脈沖輸出。該脈沖信號經(jīng)過光耦隔離后，送入CPU相應輸入端處理。AD7755除 A/ D轉(zhuǎn)換器和基準電路中使用了模擬電路，其它的所有信號處理(如乘法和濾波)都采用了數(shù)字電路。這種方法可以使電表在各種極端的環(huán)境條件下和指定時間內(nèi)提供優(yōu)良的穩(wěn)定性和和精確度。其功能方框圖見圖2。（略，詳見《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》）第6期

　　3.2 單片機及系統(tǒng)擴展

　　在設計中，要求多用戶電能表體積小，功能強，電磁兼容性好且可靠性高。我們選擇了美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C65B，該芯片內(nèi)集成了眾多的功能模塊并采用CMOS工藝。其基本特性：精簡指令集（所有指令都是單字節(jié)）；執(zhí)行速度快(DC/200 ns)；直接、間接和相對三種尋址方式；多種硬件中斷功能和八級硬件堆棧；具有同步串行口I2C/ SPI操作，可用于控制外部實時鐘及存儲器；具有同步通信硬件接口SCI/USART操作，可方便地實外通信功能；此外，它的低工作電壓、低功耗、強大的驅(qū)動能力、一次性編程(OTP)芯片的低價位、小體積等特點使得它非常適合作為多用戶電能表的CPU。

　　3.3 存儲器、看門狗和實時時鐘電路

　　采用FM31256作為存儲器、時鐘日歷、看門狗和電源監(jiān)控等電路。FM31256是美國Ramtron公司的多功能可編程芯片，I2C總線結(jié)構，與CPU接線簡單。在單個芯片中集成鐵電存儲器（FRAM）單元和實時時鐘（RTC）單元，非易失性事件計數(shù)器，系統(tǒng)復位控制，看門狗計數(shù)器，此外還包括可鎖存的64位串行數(shù)據(jù)密碼和用在早期電源失效監(jiān)測的的通用比較器等。

　　FM31256具有32k字節(jié)的FRAM，其同時擁有隨機存取器和非易失性存貯產(chǎn)品的特性，寫入壽命可達一億個億次，保證了所有用電戶的電能積累值、預交電費的余額和各時段的電量數(shù)據(jù)在掉電情況下不致丟失；FM31256的時間信息作為單片機系統(tǒng)時鐘，為多費率的電價計量提供準確的時間和日歷；外接后備電源(電池)，在主電源掉電的情況下轉(zhuǎn)換為由后備電源供電。

　　3.4 通信電路

　　遠程通信采用電力線載波方式。利用電力線路作為傳輸通道，將信號調(diào)制到高頻載波上進行傳輸。有電的地方就有信息點，這是電力系統(tǒng)特有的、最經(jīng)濟的一種通信方式[2]。載波通信電路接口采用專用的數(shù)據(jù)傳輸芯片PL2101，具有擴頻通信功能，它在抗干擾及抗衰落性能等方面表現(xiàn)突出，輸出信號諧波成分少，可靠性高，且與單片機接口簡單可行。本表還設計了紅外收發(fā)模塊，與手持掌上電腦通信，為沒有安裝遠程抄表的用戶提供本地抄表的功能。

　　3.5 射頻卡接口

　　與接觸IC卡相比，非接觸式IC卡具有不容易被污染、劃傷、磨損、不會因靜電沖擊而損壞，操作方便迅速等特點，射頻IC卡用于多用戶表比較理想?；拘酒捎肬2270B，芯片內(nèi)部集成了振蕩器、線圈驅(qū)動器、接收信號處理電路和集成供電電路，所需外圍驅(qū)動電路較少，與微控制器的連接十分方便[3]。電能表作為計量收費產(chǎn)品，對數(shù)據(jù)的安全性要求很高，因此設計中采用了E5560可重復讀寫的加密射頻卡芯片，其內(nèi)部的加密邏輯電路提供了和基站之間進行雙向密碼驗證的功能，可靠性很高。

　　3.6 繼電器驅(qū)動電路

　　繼電器用來接通或斷開用戶的供電回路。本表最多需完成對24個繼電器的控制，采用兩片82C55以擴展I/O接口。繼電器采用JMX-99F 50A/220V微型磁保持繼電器，在繼電器觸點之后我們設計了檢測電路，當微處理器發(fā)出繼電器合閘指令之后，若繼電器合不上閘，LED顯示“BAD"，提示繼電器失效；若微處理器發(fā)出跳閘指令后，檢測電路仍有信號輸出，則說明繼電器壞了或有非正常用電現(xiàn)象(短路竊電)，此時電表記錄此狀態(tài)的累計時間，然后通過IC卡回讀到售電系統(tǒng)中，提醒電力局作相應的處理。

4軟件設計

　　軟件程序采用PIC系列匯編語言編制，模塊化設計。主CPU控制軟件主要包括脈沖檢測及數(shù)據(jù)處理模塊、通信中斷模塊、電表參數(shù)設置及電量顯示模塊等。從CPU主要有RF卡驗證模塊、電力線載波通信、拉合閘控制及報警模塊等。為增強儀表的可靠性，軟件方面也采取了許多措施，如指令冗余、軟件陷井，增加軟件容錯功能及密碼驗證算法等。

5結(jié)束語

　　多用戶電子電能表體積小，精確度高，功能全，有較高的性能價格比，并且配備了通信接口，為實現(xiàn)自動抄表和用電的科學化管理莫定了基礎.本系統(tǒng)樣品經(jīng)過試運行，其性能穩(wěn)定可靠，有很好的推廣應用前景。



參考文獻

[1]李偉.多用戶IC卡預付費電表的研制.微計算機信息.2002年04期。

[2]丁家俊.PL2000在低壓電力線載波通信中的應用。儀表技術與傳感器。

[3] TEMIC Semiconductors，Read/ Write Base Station IC U2270B Data Sheet 2002。



作者簡介：

張旭輝（1972-），女，哈爾濱理工大學測試計量及通信工程學院，從事智能儀器的教學與科研工作。