【文章內(nèi)容簡介】 表計(jì)部 分信息的查詢。 電能表的工作流程預(yù)付費(fèi)電能表工作分兩大部分：電能表與上位機(jī)管理軟件的信息交互和用戶電 能計(jì)量。按照“一戶一表，一表一卡”的原則，用戶安裝一個(gè)新的電能表的同時(shí)，會(huì)獲得 一張全新的射頻卡。首先用戶需要到售電點(diǎn)開戶，從而在管理系統(tǒng)中建立用戶檔案， 以后所有與該表計(jì)相關(guān)的信息均保存至此。開戶完成后，電能表與射頻卡建立了鏈 接，購電、測試、設(shè)置等管理操作均被允許。為保證信息安全，通信中的購電信息和管理信息均由售電管理上位機(jī)軟件加密，以密文數(shù)串的形式進(jìn)行傳遞，表計(jì)在接收到這些數(shù)據(jù)時(shí)，將進(jìn)行相應(yīng)的解密工作。同時(shí)，電能表將用戶的用電量、余額、 部分消費(fèi)記錄及表計(jì)狀態(tài)等非加密表計(jì)信息通過射頻卡返回給售電管理部門。電能 表中儲(chǔ)存有前12個(gè)月的購電/消費(fèi)歷史記錄、表計(jì)當(dāng)前日期/時(shí)刻、事件記錄等，用 戶可通過按鍵查詢?nèi)揩@得，這些信息對管理部門也是同等重要，管理員可通過近 紅外光電裝置與電能表通信獲得，并且，管理員還可以通過這種方式對電能表進(jìn)行 時(shí)刻、日期等設(shè)置。供電網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流分別經(jīng)由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、錳銅片分流器獲取電流網(wǎng)絡(luò)后， 均轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)量芯片 ADE7755 電壓、電流計(jì)量通道所允許的輸入范圍內(nèi)的電壓值， 芯片計(jì)算兩個(gè)輸入電壓的乘積后，再對乘積進(jìn)行低通濾波，獲取有功功率信息，然 后將這個(gè)有功功率信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成頻率，以高頻脈沖信號的形式輸出[10]。輸出脈 沖頻率為f = K ( V1 V2 G F1?4 )V 2REF（）式中， K 是由芯片引腳配置確定的倍率；V1 、V2 分別是電流、電壓通道差動(dòng)輸入電 壓有效值；G 是片內(nèi) PGA 增益； F1? 4 是由芯片主時(shí)鐘分頻所得常數(shù)；VREF 是片內(nèi)基 準(zhǔn)電壓（177。8%）。電能表的 MCU 在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對芯片的高頻輸出脈沖計(jì)數(shù)， 平均功率正比于平均頻率，用戶所耗電能為W = P t = n t = n t式中，W 為電能； P 為平均功率； t 為積分時(shí)間； n 為脈沖個(gè)數(shù)。 系統(tǒng)的功能（）預(yù)付費(fèi)電能表是利用電能測量集成電路對電壓、電流取樣信號進(jìn)行計(jì)算處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號脈沖，微處理器通過對脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)算所消費(fèi) 的電量，用戶或管理員將射頻卡置于預(yù)付費(fèi)電能表的感應(yīng)區(qū)內(nèi)，表計(jì)在微處理器的 控制下將卡中信息讀出進(jìn)行相應(yīng)處理，并向卡中寫入返回給售電管理系統(tǒng)的信息。 基于RFID+STS的預(yù)付費(fèi)單相電能表具有以下功能：（1）電量計(jì)量功能。該電能表計(jì)量有功電量，具體規(guī)格為：220－240V，5（60）A，1600imp/kWh。（2）射頻卡讀寫功能。電能表的射頻感應(yīng)范圍為距表計(jì)外殼3cm以內(nèi)，在這個(gè) 范圍內(nèi)，表計(jì)對對應(yīng)的射頻卡進(jìn)行可靠快速地讀寫操作。通過射頻卡可對表計(jì)進(jìn)行 測試、設(shè)置、充值、注銷等一系列操作。（3）通信功能。電能表通過吸附式近紅外光電通信頭與電腦或掌上電腦通信，通信內(nèi)容主要有：讀取數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行命令。（4）按鍵查詢功能。短時(shí)間（3s）按住按鍵進(jìn)入查詢模式后，繼續(xù)按此按鍵可 逐次查詢16項(xiàng)信息：余額、總電量、前12個(gè)月每月的用電量、當(dāng)前日期、當(dāng)前時(shí)刻。（5）脈沖燈指示功能。電能表正常工作時(shí)，脈沖指示燈直觀地反映用戶用電 負(fù)荷的大小。（6）金額不足報(bào)警功能。金額不足報(bào)警有兩級報(bào)警值，可通過上位機(jī)軟件進(jìn) 行設(shè)置。當(dāng)表計(jì)內(nèi)剩余金額低于第一級報(bào)警值時(shí)，報(bào)警燈亮，以此提醒用戶及時(shí)購 電；當(dāng)表計(jì)內(nèi)剩余金額低于第二級報(bào)警值時(shí)，報(bào)警燈亮，且蜂鳴器工作，若想讓其 停止鳴叫，按住按鍵達(dá)5秒即可。剩余金額為0時(shí)，電能表自動(dòng)斷電。（7）緊急透支功能。如果用戶已欠費(fèi)，且當(dāng)時(shí)不方便購電，用戶可通過刷卡 進(jìn)行透支，此卡片與表計(jì)必須是匹配的，且在重新充值之前，只能透支刷寫一次。 透支額度由售電部門設(shè)定，并且表計(jì)顯示透支標(biāo)志。如果透支金額用完之前，用戶 仍未購電，電能表自動(dòng)斷電。（8）負(fù)荷限制功能。當(dāng)用電負(fù)荷超出售電部門的設(shè)置值時(shí)，表計(jì)進(jìn)行過載處 理：如果負(fù)載過載時(shí)間達(dá)半分鐘，則停電3分鐘，重復(fù)該動(dòng)作，除非負(fù)荷恢復(fù)正常，5次以后，繼電器斷開，放棄檢測。這是重大事故，需電能管理部門來處理。（9）防竊電功能。當(dāng)不法者試圖竊電時(shí)，不論是正傳還是反轉(zhuǎn)，電能表都將 進(jìn)行電能計(jì)量；一旦發(fā)生“開表蓋”或“開端鈕盒”事件，繼電器立刻斷開，停止供電， 從而防止用戶竊電。（10）掉電保護(hù)功能。交流供電失敗時(shí)，電能表自動(dòng)切換到鋰電池供電模式， 保護(hù)表計(jì)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，維持表計(jì)的正常計(jì)量。（11）?？▽Ｓ茫槐硪豢?。當(dāng)有非本機(jī)卡置于預(yù)付費(fèi)電能表的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)， 能及時(shí)辨別，并在LCD顯示器上提示錯(cuò)誤原因。當(dāng)電卡丟失或損壞時(shí)，可到售電部 門補(bǔ)卡繼續(xù)使用。（12）防潛動(dòng)性功能。即無負(fù)載時(shí)，不輸出脈沖。 軟件開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行平臺為滿足電能表的功能需求，并保證整個(gè)系統(tǒng)正確可靠的開發(fā)與運(yùn)行，對軟硬件 開發(fā)環(huán)境有如下要求：（1）系統(tǒng)軟件開發(fā)的硬件平臺：CPU：P4/ 及以上 硬盤：40G 及以上內(nèi)存：256M 及以上（2）系統(tǒng)軟件開發(fā)的軟件平臺：WindowsXP Service Packet 2Microsoft Visual Version （3）系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺：CPU：P4/ 及以上 硬盤：40G 及以上內(nèi)存：256M 及以上（4）系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)需要的軟件平臺：Windows2000/WindowsXP Microsoft SQL2000 ServerMicrosoft .NET Framework（Version ）（5）系統(tǒng)軟件的編程語言：C＃（），C＋＋（），ANSI C源程序量：大約 14600 條（6）電能表嵌入式軟件開發(fā)的軟件平臺：IAR Embedded Workbench For MSP430，Version：（7）電能表嵌入式軟件運(yùn)行的硬件平臺：CPU：MSP430F147（8）電能表嵌入式軟件開發(fā)的編程語言：ANSI C，MSP430 Assembly Language第三章 基于 RFID+STS 的電能表計(jì)量單元設(shè)計(jì)電能表數(shù)據(jù)采集單元采用 AD 公司的脈沖輸出高精度電功率測量芯片 ADE7755 完成電能檢測。本章介紹 ADE7755 的芯片結(jié)構(gòu)和工作原理，以及電能表的信息處 理核心 MSP430F147 的主要特點(diǎn)，給出計(jì)量單元與信息處理單元電路設(shè)計(jì)方案。 單相電能計(jì)量芯片 ADE7755ADE7755是AD公司最新推出的脈沖輸出高精度電功率測量芯片，相對于其前身 AD7755 提升了更加優(yōu)良和精確的計(jì)量性能，在電量測量中具備更實(shí)用的價(jià)值。 ADE7755在工頻情況下，在500:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，%，技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的要求[11]。唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字 電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。 ADE7755 芯片結(jié)構(gòu)，它主要由信號輸入和信號處理兩 部分組成。 ADE7755的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)電流輸入通道中的增益可編程放大器可根據(jù)引腳G1和G0的輸入信號來選擇不 同的放大倍數(shù)[12]。兩個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器采用ΣΔ結(jié)構(gòu)，采樣頻率為900kHz，這種模擬輸入結(jié)構(gòu)可 使得芯片在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)直接與傳感器相連接，因而簡化了與傳感器的接口設(shè)計(jì)。芯片的REVP腳能夠檢測電路的正負(fù)功率，其邏輯狀態(tài)隨CF輸出脈沖同時(shí)變化，即在CF產(chǎn)生一 個(gè)脈沖的同時(shí)檢測正負(fù)功率，這樣可以有效地防 止用戶利用反接線進(jìn)行竊電。信號處理部分包括 相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器（High Pass Filter， HPF）、乘法器、低通濾波器（Low Pass Filter， LPF）和數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換電路等。 ADE7755 工作原理電能測量的有功電能測量可簡單描述如下。 若電壓u(t)和電流i(t)均為正弦波，表達(dá)式為 通道1增益選擇G0 G1 增益0 0 10 1 21 0 81 1 16u(t ) = U m sin ωt =2U sin ωt（）i(t ) = I m sin(ωt ? ? ) =2I sin(ωt ? ? )（）式中，u(t)為t時(shí)刻電壓瞬時(shí)值；i(t)為t時(shí)刻電流瞬時(shí)值；Um為電壓峰值；Im為電流峰 值；U為電壓有效值；I為電流有效值； ? 為電壓與電流相位差； ω 為角頻率。則瞬時(shí)功率P(t)為P(t ) = u(t ) * i(t )= 2U sin ωt *2I sin(ωt ? ?)（）平均功率P為= 2 *U sin ωt * I sin(ωt ? ? )P = 1 ∫ T u(t ) * i(t)dtT 0= 1 ∫ T UI[? cos(2ωt + ? ) + cos? ]dt（）T 0= UI cos?ADE7755采用電流和電壓信號直接相乘的方法獲得瞬時(shí)有功功率，再由瞬時(shí)功 率信號求出平均有功功率。從錳銅片分流電阻和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)傳來的電流和電壓信 號，被送入電流通道V1N、V1P和電壓通道V2N、V2P，分別由兩個(gè)16位的2階ΣΔ 型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，電流通道中的高通濾波器用于濾除電流信號中的直 流分量，以便消除直流分量對有功功率計(jì)算的影響。電壓信號與電流信號通過乘法 器相乘后，輸出信號經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量，剩下的直流分量即為瞬時(shí) 有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成比例的低頻脈沖信 號并從F1和F2端輸出，同時(shí)從高頻CF端輸出與瞬時(shí)有功功率成比例的脈沖信號[13]。 F1和F2端輸出的脈沖頻率freq和CF端輸出的脈沖頻率fCF為freq = V1 V2 G F1?4V 2REF（）f CF= K ? freq（）式中，VV2分別是電流、電壓通道差動(dòng)輸入電壓有效值；G是片內(nèi)PGA增益；VREF 是片內(nèi)基準(zhǔn)電壓（177。8%）；系數(shù)K和F14可由主時(shí)鐘CLKIN的頻率和引腳S0、S SCF的狀態(tài)來決定。 CF最大輸出頻率SCFS1S0F14fCF=K*freq100128*freq00064*freq10164*freq00132*freq11032*freq01016*freq11116*freq0112048*freq 計(jì)量單元電路設(shè)計(jì)當(dāng)前，電子式電能表主要有兩種采樣方式：一種是用互感器采樣，一種為直接 采樣。采用互感器采樣即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號 和電流信號；直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號，而用電 阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進(jìn)行電流直接采樣[14]。采用互感器采樣的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性較強(qiáng)，線路簡單，成本低。但是，它在啟動(dòng) 電流、線性范圍、功耗和精度等指標(biāo)皆不如直接采樣，尤其是小電流時(shí)更為突出。 采用電流互感器采樣，由于激磁電存在，若不采取補(bǔ)償措施，互感器本身誤差就可 能超過5%。而采用專用的錳銅片進(jìn)行直接電流采樣的電能表誤差可調(diào)整到+%。 基于RFID+STS的預(yù)付費(fèi)單相電能表選用直接采樣的方式。電量測量采用美國ADI公司的ADE7755作為測量芯片，它是一種量程寬、精度高，內(nèi)部具有掉電、上電自動(dòng)復(fù)位電路的高準(zhǔn)確度電能測量專用集成電路。ADE7755 為低功耗的CMOS芯片，除ADC、濾波、乘法電路外，內(nèi)部都采用數(shù)字電路，可有 效去除尖脈沖等干擾信號，使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長 期的穩(wěn)定性。電壓采樣信號通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后連接到 ADE7755取樣的電壓計(jì)量通道，電流采樣信號通過錳銅片后送入ADE7755的電流計(jì) 量通道，ADE7755的線性度為1‰，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確性?？紤]到實(shí)際電網(wǎng)電壓存在波動(dòng)和負(fù)載電流可能超載，電能表電壓通道的標(biāo)稱電壓設(shè)在半滿度值（最大差動(dòng)峰值電壓為177。660mV），以便對表計(jì)脈沖常數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)；同時(shí)，電流通道在最大負(fù)載時(shí)也不應(yīng)超過半滿度值（最大差動(dòng)峰值電壓為177。470mV）， 這樣設(shè)置可允許對電流信號和高峰值因數(shù)信號進(jìn)行累計(jì)。R11k 1% R253C10R2310R+5 C121C1233nF34IC1DVDD AC/DCCFIN REVP FAULT24F1 23F2CFIN REVP FAULTR20CFIN R212KC3021SETR21k 1% R41k 1% C4C233nF5678+5 91011C6 12AVDD V1A V1PV1BV1NV2N V2P/RESETREF AGND SCFCF 22DGND 21REVP 20FAULT 19CLKOUT 18CLKIN 17G0 16G1 15S0 14S1 13CLKIN1KY1C13C141000PFR241KREVP33