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作者：德州仪器 Zack Albus
机械式电表、电子电表在半导体技术发展脚步中会很快成为昨日黄花。
电表功能在单芯片解决方案中的不断集成有望提高并且扩展电表的功能集，而且有助于控制制造成本。新发现的功能使电表架构实施不但能够创新电力线电压与电流的电能测量，而且能够为扩展功能提供灵活的多功能平台。新型电表设计的要素是增加自动读表技术
(AMR)。
电子式电表存在丰富的设计方法，主要基于开始设计时最流行的技术。技术现状不但影响仪表功能，而且还影响AMR的实施。
集成可以降低成本
当然，对于仪表制造商来说，最重要的要求就是成本。从机械式向电子式仪表的更新换代不但能够实现低成本设计与先进的 AMR
功能，而且那些电子元件提供的高集成度还使开发商能够以更具诱惑力的价格提供更加灵活的解决方案。图 1
说明单芯片解决方案中的电子式电表集成。
如图 1 所示，实现电子式电表的功能依赖多种要素。
图1：TI MSP430FE42x 单芯片AMR
解决方案集成了电表组件。
电表的核心是一个负责处理各种测量功能的微控制器（MCU），这些功能包括：对模拟前端测量电流与电压的控制、功耗与电能的计算以及各种信息的显示。
如果这还不够，那么全球的新测量计划正在推出能够执行更高级功能（包括 AMR）的设计。由于无需电力公司每月派人抄表，增加
AMR 功能可以降低公用事业公司的成本，同时这些功能还可以为用户提供强大的计费与能源费用选项。
常见的 AMR 实现方法
自动读表扩展到了任何一种人们可以想到的方法，提供计量表与公共事业企业或用户之间的通信。图 2 显示的只是几种常见的
AMR 实现方法，通过半导体集成所有都变得更加容易。
在一个更高的水平，图 2 说明了在家庭中用户看到的电表：与电力线或电源连接的液晶显示屏 (LCD)。
图2：采用电子电表集成的自动读表方法
除了电表本身，通常还有返回建立 AMR
连接公共事业企业的通信途径。最简单的情况，电力公司总可以直接到现场进行读表。
虽然可以通过 LCD
读取，一种常用的读取方法是利用电表和技术人员的读取器之间的数字链路。由于隔离“不仅仅是关于电气方面，也是关于环境方面的，一种常见解决方案是红外线通信。在本质上像是双向电视遥控器，读取器可以自动地与电表协商计费信息，以进行电表诊断和软件升级。
利用到公共事业企业的直接连接，不再需要访问现场，这种通信可以更进一步。利用与PC 调制解调器连接相类似的技术，这种
AMR 电表将数字数据搭载于电力线中，在中央位被接收以由公共事业企业存取访问。
凭借无线通信领域的新进步，如 IEEE 802.15.4
等标准，为电表无线发射和接收数据的灵活组网开启了一扇大门。无线通信平台必须为通信提供可以实现的安全通道。然而，一旦保证了安全性，无线电表就能建立动态网状网络，其中每台电表都能以连锁反应与其最近的相邻电表通信，最终将消费和状态信息发射回公共事业企业。
自动读表不一定必须局限于电表与公共事业企业之间的通信。在一些应用中，电表采用读卡器技术，为用户提供一种预付费电表。在这种情况下，用户可以先从公共事业企业处购电，通过信用卡向电量计输入信用。
在一块芯片中集成所有所需功能的能力，是电子计量解决方案最根本的优势所在，它由如德州仪器的超低功耗
MSP430FE42x MCU 等新型半导体器件所提供。在该器件中心，是一个高效低功耗 16 位 CPU 。在 CPU
周围是执行计量功能所需的元件，以及有助于 AMR 的元件。最重要的是负责准确能测量的模拟前端。图 3 表示了
MSP430FE42x 电子计量微控制器的计量架构和模拟前端。
独立输入
图 3 说明了用于线路测量的三个独立模数转换输入。
图3：MSP430FE42x模拟前端架构显示了
3 个独立的 AD 转换输入。其中的
2 个输入分别是线路电流和电压。第三个是取决于整体电表架构的可选输入，可以用于电表的防破坏探测。
电能处理器本质上是一个固定功能处理器，负责与实际电能测量相关的各种任务。其中包括峰值与 RMS I/V
测量、有功功率计算、视在功率计算、无功功率计算、线路频率监控和防破坏探测。所有信息和数据都通过允许同时数据存取的共享内存结构提供给CPU。
在集成程度较低的系统中，MCU 的中央处理器 (CPU)
通常负责控制模拟前端并进行所有所需的电能计算。集成电能处理器卸载了模拟前端控制、测量和计算任务，从而为 CPU
提供更多宝贵的带宽以进行更高级的显示和 AMR 通信功能。
除了器件的集成功能之外，模拟前端的 3 通道架构提供了可兼容各种电力线接口的测量解决方案。这种 3
通道模拟实施方案可以轻松支持常用的 2 线和 3 线单相电表。图 4 说明了 2 线单相实施方案的电力连接。
图4：具有防破坏探测功能的 2
线单相连接， 3 个独立通道更容易实施
本实例中采用一个变流器即 CT
来测量进入住宅负载的线路电流。利用所支持的分流电阻器也可以实现上述测量，即直接利用简单的电阻分压器测量线路电压。模拟前端的一个主要特性是允许输入电压降低到集成
MCU 的接地电平以下。
第三条通道在应用需要时可以用于防破坏探测。为了节省成本，防破坏输入一般采用分流电阻器，干扰 (tamper)
输入监视通过中性连接 (neutral connection)
的电流以探测它与线路电流之间的偏离——其可以指示可能由干扰行为造成的连接故障。
虽然全球许多地区通常采用 2 线连接，不过图 5 所示的 3 线单相电力连接是美国的标准连接。其目的是为家庭提供
120V 和 240V 供电。
图5：3 线单相连接由 2
条线路组成，是美国的标准连接。
3 线标准
3 线标准并不采用线路连接和中性线电源连接 (neutral mains connection)，而是由 2
条线路连接组成——L1 和 L2，每条线相对于中性线而言（未显示）的电压为 120V，相位差为 180°。其可以在负载处提供
2 个 120V 支路 (leg) 以及 1 个 240V 支路。此外，中性线不需要通过电表连接，从而消除第三条连接。
假设120V线路是平衡的，则电表只需通过所示的耦合 CT 监控 240V 电压输入以及 L1 和 L2
电流的组合。耦合 CT 计算 2 个线路电流之和，从而提供所有负载能耗的完整情况。
虽然 3 条独立通道对单相测量来说并非必不可少，但是如果离开了它们可能难以实施图 4
所示的防破坏探测功能，而这正是印度和中国等国所要求的主要功能。在美国等不要求此功能的国家，则只需要 2 条通道。
虽然电表中 AMR
功能的最主要驱动力使能量读取和通过向公共事业企业自动传输消费数据进行计费更为顺畅，但是这种通信通道不能总是用作单向通道，从而进一步增加设计和
CPU 任务管理的复杂性。在电表设计具有高级功能时，公共事业企业 (utility) 就常常需要向电表发送数据。
由于公共事业企业网格 (utility grids)
中日益增高的峰值负载不断给电力基础设施带来压力，因此政府和公共事业企业正在开发并实施应对峰值和满足需求的新方法。此类功能的核心在于电子式电表，其不但能测量电能，而且还必须支持各种
AMR 技术和先进的测量技术。
通过进一步集成模拟与数字功能，如：多个 16 位 Δ-Σ ADC 与 PGA（专用的电能处理引擎）、低功耗 16 位
CPU
以及灵活的通信外设，现代仪表可以为制造商、公共事业企业以及用户提供更高级的功能。这种集成电表设计方法可以前所未有地轻松增加
AMR 技术，从简单的红外、到无线网状网络和有线通信的仪表通信机制都通过架构和集成方面的进步变得更为容易。
作者简介
Zack Albus 现任德州仪器 (TI) MSP430 微控制器应用工程师，更多详情，敬请访问：www.ti.com.cn。 |