智能多用户单相卡载一体化电能表的研制

摘要：介绍了一种基于PIC单片机的多用户卡载一体化电能表的研制，阐明了工作原理和关健技术，给出了硬件、软件的结构。所研制的电表采用模块化设计方案、兼有复费率电表、预付费电表和低压电力载波集抄式电表的优势，计量精度高、抗干扰性好。

关健词：电子电能表；多用户；电力线载波通信

1、概 述

　　我国城市居民住宅建设的迅速发展，楼房用表日益增多，传统的将多个电能表集中挂成一面“表墙”的应用方式，成本高，体积大，工程造价高，不利于新型住宅的集中供电管理。多用户智能电能表的诞生有效地解决了上述难题，该表采用大规模专用芯片与高性能单片机实时对多个用户（8-24户可选）用电量分别计量、集中控制和管理，可方便实现分时计量和远方自动抄表。

　　当前的自动抄表技术在如何实现高可靠、低成本的数据通信问题上遇到很大的困难。现代通信技术为我们提供了诸如电话线、无线电、电力线、双绞线、光纤等多种可供选择的通信媒体。低压电力线遍布各地，不需重新布线，投资和线路维护成本低，其优势极为明显，深为电力部门青睐。但低压电力线路的通信环境恶劣造成抄表实时性差这一现象却使得供电管理部门难以把抄表数据作为向用户收费的依据。预付费卡表经过多年运行改进，技术相对成熟，已在我国部分城市得到应用，有效地解决了电能计费和电费拖欠的难题。只是卡式电表用户的买电时间和买电量是随机的，无法准确知道用户的当月电量，不能满足电力管理部门及时了解电网负荷情况和线损统计的要求；电表被攻击造成控制系统失效后，原始数据难以取证认定，记录的恢复易引发用电纠纷，电能收费管理处于开环失控状态。本文研制的卡载一体化电能表，兼有预付费电表和低压电力载波集抄式电表的优势，使用RF卡实现收费控制，载波抄表的数据主要用于线损计算和用电信息管理，因而对用电的实时性要求不高，只要保证在一定的时间(如1 –2天)内能够把用电数据集中即可。由于本表多个用户共享一个载波收发模块和公用卡接口，成本低，极具市场潜力。

2、电表组成与原理

　　电能表采用多只单用户计量单元（单台表最多：5/30A为24户；5/40A为18户）、智能处理系统和供电单元设计在同一结构中，对用户的用电实现集中计量（单费率或多费率）并显示各用户用电状况及用电量，远程电力线载波抄表，射频卡收费控制，实现购电用尽时自动跳闸和过载自动保护。单用户计量单元采电能计量专用芯片ADE7755，将输入的瞬时功率转换为相应的电能脉冲输出，经I/0接口送给智能处理系统，分别累积电能、存储记忆、显示及串口输出。智能处理系统采用主从式结构，主从机之间采用串行通信方式交流信息。主机的主要功能是：（8-24户）电能脉冲的采集、累积和数据处理与存储；实时时钟连接；用户当前剩余电量、购电和时钟送LED显示；与从机之间的数据传输；通过红外通信口实现时钟费率设置。从机主要功能是：RF卡的合法性检验，读取RF卡数据(命令)；接收主机命令以完成相应各户继电器分合控制和状态显示；与载波模块通信以实现远程数据传送。多用户卡载一体化电能表的系统硬件结构框图如图1（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第6期）所示。

3、硬件电路设计

　　电表的可靠性、使用寿命、计量精度是系统设计时追求的最重要的目标，其实现方法可从软、硬件两方面结合得以完成。随着单片机及外围器件多样化、全方位的发展，使在硬件上寻求最大限度的系统集成，以减少外围器件数量，成为实现系统目标的主要途径，也是系统设计的关键[1]。

　　3.1 单用户计量单元

　　单用户计量单元采用美国ADI公司的ADE7755专用计量芯片。它一种高准确度电能测量集成电路，对来自电流和电压传感器的信号进行采样，并产生电能计量脉冲输出。该脉冲信号经过光耦隔离后，送入CPU相应输入端处理。AD7755除 A/ D转换器和基准电路中使用了模拟电路，其它的所有信号处理(如乘法和滤波)都采用了数字电路。这种方法可以使电表在各种极端的环境条件下和指定时间内提供优良的稳定性和和精确度。其功能方框图见图2。（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》）第6期

　　3.2 单片机及系统扩展

　　在设计中，要求多用户电能表体积小，功能强，电磁兼容性好且可靠性高。我们选择了美国Microchip公司生产的PIC16C65B，该芯片内集成了众多的功能模块并采用CMOS工艺。其基本特性：精简指令集（所有指令都是单字节）；执行速度快(DC/200 ns)；直接、间接和相对三种寻址方式；多种硬件中断功能和八级硬件堆栈；具有同步串行口I2C/ SPI操作，可用于控制外部实时钟及存储器；具有同步通信硬件接口SCI/USART操作，可方便地实外通信功能；此外，它的低工作电压、低功耗、强大的驱动能力、一次性编程(OTP)芯片的低价位、小体积等特点使得它非常适合作为多用户电能表的CPU。

　　3.3 存储器、看门狗和实时时钟电路

　　采用FM31256作为存储器、时钟日历、看门狗和电源监控等电路。FM31256是美国Ramtron公司的多功能可编程芯片，I2C总线结构，与CPU接线简单。在单个芯片中集成铁电存储器（FRAM）单元和实时时钟（RTC）单元，非易失性事件计数器，系统复位控制，看门狗计数器，此外还包括可锁存的64位串行数据密码和用在早期电源失效监测的的通用比较器等。

　　FM31256具有32k字节的FRAM，其同时拥有随机存取器和非易失性存贮产品的特性，写入寿命可达一亿个亿次，保证了所有用电户的电能积累值、预交电费的余额和各时段的电量数据在掉电情况下不致丢失；FM31256的时间信息作为单片机系统时钟，为多费率的电价计量提供准确的时间和日历；外接后备电源(电池)，在主电源掉电的情况下转换为由后备电源供电。

　　3.4 通信电路

　　远程通信采用电力线载波方式。利用电力线路作为传输通道，将信号调制到高频载波上进行传输。有电的地方就有信息点，这是电力系统特有的、最经济的一种通信方式[2]。载波通信电路接口采用专用的数据传输芯片PL2101，具有扩频通信功能，它在抗干扰及抗衰落性能等方面表现突出，输出信号谐波成分少，可靠性高，且与单片机接口简单可行。本表还设计了红外收发模块，与手持掌上电脑通信，为没有安装远程抄表的用户提供本地抄表的功能。

　　3.5 射频卡接口

　　与接触IC卡相比，非接触式IC卡具有不容易被污染、划伤、磨损、不会因静电冲击而损坏，操作方便迅速等特点，射频IC卡用于多用户表比较理想。基站芯片采用U2270B，芯片内部集成了振荡器、线圈驱动器、接收信号处理电路和集成供电电路，所需外围驱动电路较少，与微控制器的连接十分方便[3]。电能表作为计量收费产品，对数据的安全性要求很高，因此设计中采用了E5560可重复读写的加密射频卡芯片，其内部的加密逻辑电路提供了和基站之间进行双向密码验证的功能，可靠性很高。

　　3.6 继电器驱动电路

　　继电器用来接通或断开用户的供电回路。本表最多需完成对24个继电器的控制，采用两片82C55以扩展I/O接口。继电器采用JMX-99F 50A/220V微型磁保持继电器，在继电器触点之后我们设计了检测电路，当微处理器发出继电器合闸指令之后，若继电器合不上闸，LED显示“BAD"，提示继电器失效；若微处理器发出跳闸指令后，检测电路仍有信号输出，则说明继电器坏了或有非正常用电现象(短路窃电)，此时电表记录此状态的累计时间，然后通过IC卡回读到售电系统中，提醒电力局作相应的处理。

4软件设计

　　软件程序采用PIC系列汇编语言编制，模块化设计。主CPU控制软件主要包括脉冲检测及数据处理模块、通信中断模块、电表参数设置及电量显示模块等。从CPU主要有RF卡验证模块、电力线载波通信、拉合闸控制及报警模块等。为增强仪表的可靠性，软件方面也采取了许多措施，如指令冗余、软件陷井，增加软件容错功能及密码验证算法等。

5结束语

　　多用户电子电能表体积小，精确度高，功能全，有较高的性能价格比，并且配备了通信接口，为实现自动抄表和用电的科学化管理莫定了基础.本系统样品经过试运行，其性能稳定可靠，有很好的推广应用前景。



参考文献

[1]李伟.多用户IC卡预付费电表的研制.微计算机信息.2002年04期。

[2]丁家俊.PL2000在低压电力线载波通信中的应用。仪表技术与传感器。

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



作者简介：

张旭辉（1972-），女，哈尔滨理工大学测试计量及通信工程学院，从事智能仪器的教学与科研工作。