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展，樓房用表日益增多，傳統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高可靠、低成本的數據通信問題上遇到很大的困難。現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，其優勢極為明顯，深為電力部門青睞。但低壓電力線路的通信環境惡劣造成抄表實時性差這一現象卻使得供電管理部門難以把抄表數據作為向用戶收費的依據。預付費卡表經過多年運行改進，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負荷情況和線損統計的要求；電表被攻擊造成控制系統失效后，原始數據難以取證認定，記錄的恢復易引發用電糾紛，電能收費管理處于開環失控狀態。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勢，使用RF卡實現收費控制，載波抄表的數據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)內能夠把用電數據集中即可。由于本表多個用戶共享一個載波收發模塊和公用卡接口，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）、智能處理系統和供電單元設計在同一結構中，對用戶的用電實現集中計量（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換為相應的電能脈沖輸出，經I/0接口送給智能處理系統，分別累積電能、存儲記憶、顯示及串口輸出。智能處理系統采用主從式結構，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、累積和數據處理與存儲；實時時鐘連接；用戶當前剩余電量、購電和時鐘送LED顯示；與從機之間的數據傳輸；通過紅外通信口實現時鐘費率設置。從機主要功能是：RF卡的合法性檢驗，讀取RF卡數據(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顯示；與載波模塊通信以實現遠程數據傳送。多用戶卡載一體化電能表的系統硬件結構框圖如圖1（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第6期）所示。

3、硬件電路設計

　　電表的可靠性、使用壽命、計量精度是系統設計時追求的最重要的目標，其實現方法可從軟、硬件兩方面結合得以完成。隨著單片機及外圍器件多樣化、全方位的發展，使在硬件上尋求最大限度的系統集成，以減少外圍器件數量，成為實現系統目標的主要途徑，也是系統設計的關鍵[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，并產生電能計量脈沖輸出。該脈沖信號經過光耦隔離后，送入CPU相應輸入端處理。AD7755除 A/ D轉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)都采用了數字電路。這種方法可以使電表在各種極端的環境條件下和指定時間內提供優良的穩定性和和精確度。其功能方框圖見圖2。（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》）第6期

　　3.2 單片機及系統擴展

　　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公司生產的PIC16C65B，該芯片內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）；執行速度快(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、看門狗和電源監控等電路。FM31256是美國Ramtron公司的多功能可編程芯片，I2C總線結構，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，非易失性事件計數器，系統復位控制，看門狗計數器，此外還包括可鎖存的64位串行數據密碼和用在早期電源失效監測的的通用比較器等。

　　FM31256具有32k字節的FRAM，其同時擁有隨機存取器和非易失性存貯產品的特性，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據在掉電情況下不致丟失；FM31256的時間信息作為單片機系統時鐘，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，這是電力系統特有的、最經濟的一種通信方式[2]。載波通信電路接口采用專用的數據傳輸芯片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。基站芯片采用U2270B，芯片內部集成了振蕩器、線圈驅動器、接收信號處理電路和集成供電電路，所需外圍驅動電路較少，與微控制器的連接十分方便[3]。電能表作為計量收費產品，對數據的安全性要求很高，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象(短路竊電)，此時電表記錄此狀態的累計時間，然后通過IC卡回讀到售電系統中，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據處理模塊、通信中斷模塊、電表參數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，為實現自動抄表和用電的科學化管理莫定了基礎.本系統樣品經過試運行，其性能穩定可靠，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。