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。这是账单。想想看，每个月，成千上万的抄表员开车从一个家到另一个家，手动抄数百万个电表。然后，收集到的数据被输入到计费系统中，最常见的是由工作人员查看日志并输入数据。这支名副其实的抄表大军和办公室工作人员，与其他任何东西一样，是维持这家公用事业公司财务生存的力量。但对公用事业公司来说，这种人工成本主要是管理费用。公用事业公司需要雇佣和培训这群员工的原因是电表——通常是一个装在玻璃盒里的旋转圆盘，附带一个机械计数器。有了这样的仪表，自动化是很困难的。

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磁盘的下一代电表可以比机械电表更精确、更可靠、更灵活。除了计数和自动报告客户使用的千瓦时数外，基于微控制器的仪表还可以跟踪何时发生使用，需要多少峰值功率，以及功率因数是否在可接受的范围内。

本文描述了如何从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

在过去，微控制器被限制在大多数现实世界系统的支持角色。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的数字设备——任何外围设备都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电路，高速CPU核心以及全方位的通信和显示外设，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:跨线的分压器可以很好地工作。为了提供许多ADC器件所需的-1V到+1V，有必要将240V电路上的电压波形按400:1到600:1的比例进行分割。除法后的单极RC滤波器执行抗混叠任务。

测量负载中的电流有几种方法，但最常用的两种是使用电流互感器或电流分流器。电流互感器在二次电路中产生的电压与一次电路中的电流成正比。在此参考设计中使用的电流分流器(图1)由于电阻上的红外下降而产生电压。为了保持低功耗，分流电阻通常在250µ欧姆至500µ欧姆之间。有关本设计中硬件组件的更多详细信息，请参见应用说明3819。MAX3120电表参考．

图1所示 混合信号微控制器是一个复杂的多功能，多速率电表的心脏。参考设计是基于MAXQ3120混合信号微控制器。该微控制器结合了强大的前端(包括双通道16位，

具有内部参考电压的adc)和强大的数字块(由16位RISC内核，乘法累加单元，两个UART通道和集成LCD控制器组成)。

在旧的电表中，通信不是问题。当读取机械表时，读取器只需将计数器上的值复制到日志簿中。但是现代电表使用它们的通信通道通过两种机制来传输计费信息和配置数据:非接触式和网络化。这个设计同时提供了这两种功能。

非接触式读取器传输能源使用数据，而设备不必与电表进行物理接触。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一个读取器指向电表，就像人们可能使用遥控器操作电视一样。一个请求包被传送到仪表，仪表用请求的数据作出响应。该使用数据存储在读取器上，直到它可以传输到计费系统。

联网电表通常见于多户住宅，如公寓楼。在这种装置中，大楼里的所有仪表都通过网络与控制器“对话”，控制器每月对它们进行一次投票。然后，控制器对一组包含使用数据的消息进行格式化，以便传输到计费机构。该仪表使用RS-485作为物理介质进行网络连接。

对于非易失性存储，仪表包含一个I(2)C EEPROM设备。多年来，串行存储器设备提供了可靠的服务，其大小从64位到1Mb，甚至更大。本设计使用的设备是128kb。

电表性能分析

一旦硬件设计解决了，下一个问题就是软件了。但是在编写第一行代码之前，系统设计师必须确定仪表应该如何工作。也就是说，仪表实际要做什么?

幸运的是，对于系统设计者来说，这个问题在国际标准中得到了很大的回答。IEC 61036规定了“1级”(1%精度)或“2级”(2%精度)电表。该标准不仅要求精度，而且要求机械、环境和安全参数。简而言之，IEC 61036文件描述了电表是什么。该标准几乎在每个国家都以这样或那样的形式被采纳为国家标准。

但是IEC 61036有不指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的通信，没有单一的物理介质、消息协议或语义的国际标准。

在这里介绍的参考设计中，我们确定了一个中国标准DL/T 645。该文档描述了物理层、数据包格式以及仪表(和主机)必须遵循的传输规则。

软件

仪表软件大致可分为两个功能模块。首先是DSP子系统。它接收来自ADC通道的电压和电流采样，并计算电压、电流、功率和累计能量使用情况。第二个模块是会计子系统。它从DSP子系统中获取计算出的能量，并将其累积为若干能量之一关税寄存器． 会计子系统还管理通信、存储和显示。

测量能量的过程从DSP子系统开始。每次从ADC通道接收到一个采样集(在本设计中，每48µs)时，电压和电流采样被相乘并累积。瞬时电压和瞬时电流的乘积就是瞬时功率，可以把瞬时电压和瞬时电流的乘积累加起来计算能耗。波形也是低通滤波，以找到零点交叉。每次过零时，都会通知记帐子系统。

当收到警报时，计费子系统将从DSP积累的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时，记帐子系统然后更新EEPROM中积累的能量寄存器。记帐子系统不能在每次过零时更新EEPROM，因为大多数EEPROM设备在一定数量的写周期后磨损。

沟通

通信子系统必须执行四项任务。首先，某些进程必须从通信驱动程序接收字节流，并确定何时接收到有效消息。其次，某些流程必须接收经过验证的消息，并确定它们的含义以及应该采取的操作。第三，当数据准备好传输时，某些进程必须确保原始数据以适合通信数据包的方式格式化。最后，进程必须物理地构建数据包，并将其一个字节一个字节地发送给通信驱动程序。在本参考设计中，这四个任务被称为消息检查器，消息解码器，消息格式化器和消息生成器,分别。

当一个有效的消息被接收并解码后，很可能这个请求要么是让仪表发送一些测量值(能量、电压、功率等)，要么是发送或设置一些操作参数(仪表常数、序列号等)。在这两种情况下，请求都被引用到注册经理． 该软件组件负责生成、编写和维护DL/ t645协议中定义的数百个寄存器。有关详细资料，请参阅应用说明3819(见上文)中有关软件的讨论。

显示

的显示管理器确定要显示哪些数据元素以及如何显示它们。让一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。在这个设计中，仪表显示一天中的时间、日期和累积能量。然后等待指定的秒数，然后选择下一个项目并为LCD格式化。关于显示参数和显示定制的详细讨论见应用说明3820。MAX3120电表参考设计定制指南．

时间表

基于微控制器的电表的一个优点是它可以将能源使用分配到几个中的一个关税,它们由一天中的时间和日期定义。在本参考设计中计划经理确定关税期限。日程管理器每分钟检查一次新的资费期是否有效。如果是，则计划管理器更新包含资费周期编号的RAM变量。

显然，日程管理器需要一个精确的时钟;电表的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兼容的系统时钟，并配有备用电池。虽然简单且经济实惠，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的时间时钟。这些器件包含一个内置的温度传感器和硬件，可以调节时钟工作频率，以补偿影响所有晶体振荡器温度的自然漂移。通过使用温度补偿时钟，在整个工业温度范围内可实现30秒/月的精度。有关公用事业资费周期的详细信息以及此参考设计如何管理这些资费的数据收集，请参阅应用说明3793。多费率电表的灵活电价调度．

结论

计量用电的方法变化很快。几年内，车轮式计价器将会像拨号电话一样过时。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，更高的安全性和更多的选择。

本文所依据的完整电表参考设计(包括物料清单)可下载。

2006年12月刊上也有类似的文章计量的国际．