?精度更高
　　?校準(zhǔn)容易
　　?防篡改保護(hù)
　　?自動抄表
　　?安全性好
　　?先進(jìn)的計(jì)費(fèi)方式(分時(shí)計(jì)費(fèi)和預(yù)付費(fèi)等)

　　電子儀表的設(shè)計(jì)不一定要采用復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)方式。在本文所介紹的實(shí)例中盹挑，通過基于單片機(jī)(MCU)的脈沖計(jì)數(shù)器可以大大簡化各類儀表的實(shí)現(xiàn)赃慰。圖1給出了一種基于MCU的典型計(jì)數(shù)器的組成框圖荐多。

圖1 帶外部時(shí)鐘輸入的MCU 8位或16位定時(shí)器

　　精度更高

　　儀表是根據(jù)測量精度進(jìn)行分類的。例如纪尊，一個(gè)機(jī)械式電表的典型精度是2%左右候殿。相比之下，一個(gè)普通的電子電表可以達(dá)到0.2%的測量精度献雅。如果在儀表設(shè)計(jì)中使用MCU碉考，那么就能夠通過改變軟件參數(shù)調(diào)節(jié)測量精度。這樣挺身，只需開發(fā)一個(gè)硬件平臺就可以支持多級測量精度侯谁，因此可使儀表生產(chǎn)商簡化生產(chǎn)流程，且可為安裝儀表的公用事業(yè)公司帶來良好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)章钾。

　　校準(zhǔn)容易

　　常規(guī)的機(jī)械式儀表包含很多可動的部件良蒸。隨著使用時(shí)間的延長，這些部件可能需要重新調(diào)校伍玖，才能使儀表恢復(fù)正常狀態(tài)。調(diào)校時(shí)通常要把儀表拆卸下來并返回廠家進(jìn)行校準(zhǔn)剿吻，非常不便窍箍。但是通過使用MCU中的非易失性存儲器(EEPROM或Flash)就可以很方便的存儲或更新校準(zhǔn)信息，甚至可以設(shè)計(jì)為采用自動校準(zhǔn)的方式丽旅。

圖2 氣表結(jié)構(gòu)框圖

　　防篡改保護(hù)

　　一般來說椰棘，公用儀表最大的一個(gè)問題就是偷竊現(xiàn)象。在很多情況下榄笙，篡改儀表是為了改變測量結(jié)果丰倾。偷竊問題通常出現(xiàn)在電表上，形式多種多樣晶聂。根據(jù)電表的類型齿雕，某些儀表可能被反接而使電量計(jì)數(shù)遞減而不是遞增。另外顶恍，采用鋼鐵材料作旋轉(zhuǎn)盤片的老式儀表易受磁體的影響赂相，會因此而減慢旋轉(zhuǎn)的速度，從而引起錯(cuò)誤的電量測量結(jié)果蔼处〗簦可以使用幾個(gè)簡單的方法來檢測電子儀表的篡改和偷竊現(xiàn)象。尤其對于電表來說铭能，可以檢測到多種“典型”情況肄寻，如：

　　?負(fù)載不對稱(回路被接地，導(dǎo)致不對用電進(jìn)行計(jì)量)
　　?電表暫時(shí)斷開(或被旁路)
　　?使用永磁體使電流互感器飽和或停止計(jì)數(shù)器
　　?惡意破壞

　　一旦檢測到篡改現(xiàn)象励螺，我們可以對儀表采取多種防范措施串锁。如果儀表控制供電坡沿，它可以將負(fù)載的供電斷開。另外急黎，如果儀表具有通信機(jī)制扎狱，還可以通過點(diǎn)亮指示燈或者向公用事業(yè)公司發(fā)送報(bào)警消息的方式，指明發(fā)生了偷竊篡改情況勃教。

　　電子抄表

　　電子儀表最大的一個(gè)優(yōu)勢就是增加了自動抄表(AMR)功能淤击。這樣一來，就不用派專人去現(xiàn)場登記使用數(shù)據(jù)故源，從而可大大節(jié)省開銷污抬。人工抄表是一種勞動密集型的工作，容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)(甚至是賄賂現(xiàn)象)绳军。由于儀表安裝在不同的地方印机，因此人工抄表無論對于用戶還是對于抄表員來說都是非常不方便的。

　　目前有多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電子儀表的AMR功能门驾，或者改進(jìn)已有的機(jī)械式/機(jī)電式儀表射赛。通過下列幾種方式可以實(shí)現(xiàn)電子儀表的自動抄表和通信：

　　?紅外——通過儀表的面板實(shí)現(xiàn)近程紅外LED傳輸;
　　?射頻( RF)——近程或遠(yuǎn)程通信，如ZigBeeTM協(xié)議或蜂窩網(wǎng)絡(luò);
　　?通過電話線的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式;
　　?電力線載波(PLC)——近程到中程傳輸
　　?串口(RS-485)

　　在某些情況下奶是，僅僅通過手持式設(shè)備(通過IrDATM協(xié)議或者RF方式楣责，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)幾百英尺)通信就可以實(shí)現(xiàn)AMR功能的優(yōu)勢。盡管這種方式仍然需要抄表員到各個(gè)儀表安裝現(xiàn)場抄表宋泊，但是這種方能夠確保數(shù)據(jù)讀取是準(zhǔn)確的玻温，并且能夠大大加快抄表過程。此外湃改，ZigBee聯(lián)盟正在開發(fā)一種測量方案级闭，能夠使水表、氣表丧足、熱表和電表的制造商之間實(shí)現(xiàn)相互合作本洁，通過一種共同的通信媒介發(fā)送使用數(shù)據(jù)。

　　安全性好

　　隨著測量過程自動化程度的提高蜗胖，安全數(shù)據(jù)存儲和通信技術(shù)的需求也與日俱增晨丸。確保公用事業(yè)部門所收集數(shù)據(jù)的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過MCU自身的內(nèi)部數(shù)據(jù)EEPROM或者使用加密算法將數(shù)據(jù)存儲到儀表外部的方式來實(shí)現(xiàn)裕甸。另外儀表使用數(shù)據(jù)的安全通信也值得關(guān)注云卤。同樣，可以使用幾種加密算法和握手協(xié)議來確保安全的數(shù)據(jù)傳輸碳扯。

　　先進(jìn)的計(jì)費(fèi)方式

　　電子儀表已經(jīng)可以根據(jù)使用時(shí)段(Time of Use城也，TOU)分時(shí)計(jì)費(fèi)了。TOU分別設(shè)定高峰期(使用率較高)和非高峰期(使用率較低)時(shí)段。TOU收費(fèi)有多種好處计贰。首先钦睡，如果用戶在非高峰期使用，則可以享受較低的價(jià)格躁倒。其次荞怒，由于高峰期的用戶要支付較高的使用價(jià)格，TOU計(jì)費(fèi)方式很自然地就在較大程度上降低了高峰期的使用秧秉。鋪設(shè)新的公用基礎(chǔ)設(shè)施的投資是相當(dāng)高的褐桌。TOU計(jì)費(fèi)有助于分流高峰期的使用需求，在用戶需求不斷增長的情況下保持一種穩(wěn)定的容量象迎。要想實(shí)現(xiàn)TOU計(jì)費(fèi)荧嵌，儀表內(nèi)部需要設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷(Real TimeClock and Calendar，RTCC)砾淌，全天跟蹤用戶的使用情況啦撮。電子儀表通過軟件或者使用外部設(shè)備很容易實(shí)現(xiàn)RTCC功能。
   
　　最新出現(xiàn)的計(jì)費(fèi)方式是預(yù)付費(fèi)汪厨。這一功能主要是在電表中實(shí)現(xiàn)的例是。用戶可以使用磁卡提前購買一定的電量，然后將磁卡插入電表中蛙檐，使電表在一定的時(shí)間段內(nèi)向指定的負(fù)載供電茧津。預(yù)付費(fèi)方式降低了公用事業(yè)公司計(jì)費(fèi)和抄表的成本，也有助于幫助用戶計(jì)劃每月的開支碱跃。

　　所有上述的收費(fèi)方式都是建立在公用儀表基本功能基礎(chǔ)之上的。這樣看來儀表的研發(fā)時(shí)間似乎要增加了鳖进，因?yàn)檠邪l(fā)包括兩個(gè)部分：基本的儀表功能园湘，以及防篡改、AMR葵斗、安全性和計(jì)費(fèi)方式等新增功能单墓。接下來，本文要介紹如何把基本的儀表功能設(shè)計(jì)簡化為一個(gè)簡單的脈沖計(jì)數(shù)器杂虐，而將主要工作放在用戶接口的設(shè)計(jì)上返工。大部分MCU都能夠通過內(nèi)部定時(shí)器對I/O引腳的外部時(shí)鐘輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)。某些MCU的定時(shí)器能夠在低功耗模式下進(jìn)行計(jì)數(shù)意沸，而當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)喚醒器件嫡纠。這種功能非常靈活，因?yàn)闅獗硌佣摹⑺砗蜔岜砜赡軟]有本地電源除盏，而是采用電池進(jìn)行供電。

　　氣表和水表

　　氣表和水表是設(shè)計(jì)起來最簡單的儀表挫以。這兩種表都采用機(jī)械裝置來測量氣流或水流者蠕，它們的輸出通常是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(氣表中)或者一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵(水表中)窃祝。圖2給出了氣表的結(jié)構(gòu)框圖。氣表的輸出軸上有一個(gè)帶槽的圓盤和一個(gè)能夠輸出脈沖流的反光器踱侣。每個(gè)脈沖表示一定量的氣流粪小。水表內(nèi)部通常采用旋轉(zhuǎn)磁鐵和霍耳效應(yīng)傳感器，每當(dāng)磁鐵通過的時(shí)候抡句，這種傳感器就能夠產(chǎn)生輸出脈沖探膊。氣表和水表的脈沖流都可以連接到MCU內(nèi)部計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端。氣表和水表設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)就是它們附近一般都沒有交流電源玉转。這意味著必須用電池或太陽能供電突想。太陽能電池十分昂貴，會額外增加安裝儀表的機(jī)械成本究抓。本文的設(shè)計(jì)方案采用一個(gè)低功耗MCU侄侨，它能夠?qū)γ}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，周期性地將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲器中肚微，每月上傳一次計(jì)費(fèi)信息气凫。圖2中給出的實(shí)例是采用了Microchip公司的PIC16F9xx系列MCU。這一系列的MCU擁有4～8KB的Flash程序存儲器旭眼、最多336字節(jié)的RAM市协、256字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，內(nèi)置8MHz的晶振料害、10位A/D瞬芒，具有I2C、SPI掸栋、USART接口接吠，能夠驅(qū)動顯示168個(gè)像素。這些功能再加上低功耗特性(休眠模式下典型電流O.5uA浑季，1MHz下典型電流為190uA)使得這種MCU十分適用于采用電池供電的氣表和水表缕圣。

　　熱表

　　不同用戶所居住的地區(qū)和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過暖氣片進(jìn)行供熱是比較常見的方式俩莽。熱表的結(jié)構(gòu)比氣表或水表略微復(fù)雜一些旺坠，因?yàn)闊崃W(xué)計(jì)算熱量的方式涉及溫度和流量。熱表要同時(shí)測量暖氣片入口和出口的溫度扮超，還要測量水流通過暖氣片的流速取刃。根據(jù)這些測量結(jié)果，MCU再根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算出熱能使用量出刷。圖3給出了一個(gè)熱表的實(shí)例蝉衣。為了降低熱表的成本，我們可以采用MCU來校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)溫度傳感器。溫度傳感器通常采用RTD(電阻式溫度檢測器)或類似的器件病毡，它們能夠浸泡在液體中工作濒翻。MCU中可以保存一個(gè)校準(zhǔn)表，用于把傳感器的模擬輸出量轉(zhuǎn)換為線性的溫度值啦膜。熱表中使用的流速表與水表中的類似有送，也會產(chǎn)生輸出脈沖。熱表的設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)挑戰(zhàn)是氣表和水表沒有的僧家。熱表都是安裝在用戶住宅內(nèi)的雀摘，不像氣表和水表可以安裝在戶外。沒有AMR功能侦演，抄表員記錄熱能使用量時(shí)必須有用戶在家里配合编喊。基于MCU的熱表很容易實(shí)現(xiàn)RF功能左撤，即使用戶不在家也可以進(jìn)行抄表潭均。圖3中的實(shí)例也采用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性并集成了LCD模塊三二。

　　電表

　　電子儀表最令人關(guān)注的焦點(diǎn)可能是電表号找。在發(fā)展中國家中，竊電問題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因会刀。因?yàn)椴坏珒x表會被篡改以減少其顯示的用電量泥碳，而且抄表員也容易因?yàn)榻邮苡脩舻馁V賂而篡改抄表數(shù)據(jù)。所以掏绍，具備自動抄表功能的電子儀表能夠大大減少公用事業(yè)公司損失的收入泰牵。電表設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是需要精確記錄用電量。如前所述译命，某些生產(chǎn)商要求高達(dá)0.2%的精度芥吟。電表還必須能夠處理大型的電感負(fù)載，例如電冰箱绑蔫、HVAC(暖通空調(diào))、洗衣機(jī)和干衣機(jī)之類的電器泵额。因此配深，對于設(shè)計(jì)人員來說采用MCU或者分立元件是最佳的設(shè)計(jì)方案。慶幸的是嫁盲，有些生產(chǎn)商同時(shí)提供了兩種類型的電表篓叶。為了簡化設(shè)計(jì)，分立式設(shè)計(jì)提供了負(fù)載和電源接口羞秤，采用測量引擎測量電流和電壓并計(jì)算用電量缸托，使用簡單的脈沖輸出方式。圖4給出的實(shí)例中使用PIC16F9XX器件作為MCU，采用Microchip公司的MCP3905測量用電量俐镐。MCP3905的典型精度為0.1%矫限，具有電源反向指示功能，采用分流電阻測量電流佩抹。電能輸出驅(qū)動機(jī)械式兩相步進(jìn)電機(jī)叼风，但是也可以驅(qū)動MCU的計(jì)數(shù)器輸入。

　　結(jié)語

　　與機(jī)械式儀表相比飒晴，電子儀表具有小巧威众、可靠、精確度高的特點(diǎn)拙位，并且能夠采用防篡改電路和方法增加公用事業(yè)公司的收入哼股，降低用戶的開銷。采用脈沖計(jì)數(shù)的電子儀表解決方案属胖，能夠大大降低儀表設(shè)計(jì)的復(fù)雜性荧肴。這樣就可以讓設(shè)計(jì)人員把精力集中在更方便的數(shù)據(jù)采集和收費(fèi)功能的設(shè)計(jì)上。

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