電子公用儀表：一種簡(jiǎn)潔的解決方案

引言

如今，相比人們使用的傳統機械式和（或機電式）表解決方案而言，電子公用表具有多種優(yōu)勢。無(wú)論是測量氣壓、水流、熱能，還是測量電量，它們都具有以下特性： 
*    精度更高 
*    容易校準 
*    具有防竄改保護功能 
*    自動(dòng)抄表 
*    安全性好 
*    先進(jìn)的收費方式（使用時(shí)間、預付費等）

電子儀表的設計不一定要采用復雜的實(shí)現方式。本文所介紹的一種基于微控制器（MCU）的脈沖計數器的實(shí)例就可以大大簡(jiǎn)化各類(lèi)表的實(shí)現方式。圖1給出了一種基于MCU的典型計數器的組成模塊圖。

 
圖1  帶外部時(shí)鐘輸入的MCU 8位或16位定時(shí)器

更高的精度

儀表是根據其測量精度進(jìn)行分類(lèi)的。例如，一個(gè)機械式電表的典型精度是2%左右。相比之下，一個(gè)普通的電子電表可以達到0.2%的測量精度。如果在儀表設計中使用MCU，那么就能夠通過(guò)軟件參數調節測量精度。這樣，只需開(kāi)發(fā)一個(gè)硬件平臺就可以支持多級測量精度，無(wú)論對于儀表制造商還是將安裝儀表的公用事業(yè)部門(mén)來(lái)說(shuō)，這種方式都能夠提供最新和最經(jīng)濟的產(chǎn)品。

容易校準

常規的機械式儀表包含很多可動(dòng)的部件。隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)，這些部件可能需要重新調校，才能使儀表恢復正常狀態(tài)。調校時(shí)通常要把儀表拆卸下來(lái)并返回廠(chǎng)家進(jìn)行校準，非常不便。具有同樣功能的電子儀表由于部件的老化可能也需要校準，但是通過(guò)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信息，甚至可以采用自動(dòng)校準的方式。

防竄改保護

一般來(lái)說(shuō)，公用表最大的一個(gè)問(wèn)題就是偷竊。在很多情況下，竊賊竄改儀表是為了改變測量結果。偷竊問(wèn)題通常出現在電表上，形式多種多樣。根據電表的類(lèi)型，竊賊可能通過(guò)插入后門(mén)的方式使電量計數結果遞減而不是遞增。另外，采用鋼鐵材料作旋轉盤(pán)片的老式電表對磁場(chǎng)非常敏感，會(huì )因此而減慢旋轉的速度，從而引起錯誤的電量測量結果。

一旦發(fā)現竄改現象，我們可以對電表采取多種防范措施。如果電表控制了電能的使用，它可以將負載的供電斷開(kāi)。另外，如果電表具有通信功能，還可以通過(guò)指示燈或者向公用事業(yè)部門(mén)發(fā)送報警信息的方式，指出發(fā)生了偷竊竄改事故。

自動(dòng)抄表

電子儀表最大的一個(gè)優(yōu)勢就是增加了自動(dòng)抄表（AMR）功能。這樣一來(lái)，就不用派專(zhuān)人去現場(chǎng)登記使用數據，從而節省了大量的開(kāi)銷(xiāo)。人工抄表是一種勞動(dòng)密集型的工作，容易出現人為差錯（甚至是賄賂）。由于儀表安裝在不同的地方，因此人工抄表無(wú)論對于用戶(hù)還是對于抄表員來(lái)說(shuō)都是非常不方便的。

目前有多種技術(shù)可以實(shí)現電子儀表的AMR功能，或者改進(jìn)已有的機械式/機電式儀表。通過(guò)下列幾種方式可以實(shí)現電子儀表的自動(dòng)抄表和通信： 
*    紅外——通過(guò)儀表的面板實(shí)現近程紅外LED傳輸； 
*    RF——近程或遠程通信，例如ZigBeeTM協(xié)議，或蜂窩網(wǎng)絡(luò )； 
*    通過(guò)電話(huà)線(xiàn)的數據調制解調方式； 
*    PLC（電力線(xiàn)載波）——近程到中程傳輸 
*    串口（RS-485）

與手持式設備（通過(guò)IrDATM協(xié)議或者RF方式，最遠通信距離可達幾百英尺）的通信可以在一定程度上體現AMR功能的優(yōu)勢。盡管這種方式仍然需要抄表員到各個(gè)儀表安裝現場(chǎng)抄表，但是這種方式能夠確保數據讀取是準確的，并且能夠大大加快抄表過(guò)程。此外，ZigBee聯(lián)盟正在開(kāi)發(fā)一種測量方案，能夠使水表、氣表、熱表和電表的制造商之間實(shí)現相互兼容，通過(guò)一種共同的通信媒介發(fā)送儀表數據。

安全性

隨著(zhù)測量過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，安全數據存儲和通信技術(shù)的需求也與日俱增。確保公用事業(yè)部門(mén)所收集數據的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過(guò)MCU自身的內部數據EEPROM或者使用加密算法將數據存儲到儀表外部的方式來(lái)實(shí)現。另外儀表使用數據的安全通信也令人關(guān)注。同樣，可以使用多種加密算法和握手協(xié)議實(shí)現安全的數據傳輸。

先進(jìn)的收費方式

電子儀表已經(jīng)開(kāi)始根據TOU（使用時(shí)間）進(jìn)行收費了。TOU分別設定高峰期（使用率較高）和非高峰期（使用率較低）時(shí)間。TOU收費有多種好處。首先，如果用戶(hù)在非高峰期使用，則可以享受較低的價(jià)格。其次，由于高峰期的用戶(hù)要支付較高的使用價(jià)格，TOU收費方式很自然地就分流了許多高峰期的用戶(hù)。鋪設新的公用基礎設施的投資是相當高的。TOU收費有助于分流高峰期的使用需求，在用戶(hù)需求不斷增長(cháng)的情況下保持一種穩定的容量。要想實(shí)現TOU收費，儀表內部需要設置RTCC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷）功能，全天跟蹤用戶(hù)的使用情況。電子儀表通過(guò)軟件或者使用外部設備很容易實(shí)現RTCC功能。

最新出現的收費方式是預付費。這一功能主要是在電表中實(shí)現的。用戶(hù)可以使用磁卡提前購買(mǎi)一定的電量，然后將磁卡插入電表中，使電表在一定的時(shí)間段內向指定的負載供電。預付費方式降低了公用事業(yè)部門(mén)收費和抄表的成本，也有助于幫助用戶(hù)提前計劃他們每月的開(kāi)支。

所有上述的收費方式都是建立在公用儀表基本功能基礎之上的。這樣看來(lái)儀表的研發(fā)時(shí)間似乎要增加了，因為研發(fā)包括兩個(gè)部分：基本的儀表功能和新增的功能，諸如防竄改、AMR、安全性和收費方式等。接下來(lái)，本文要介紹如何把基本的儀表功能設計簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖計數器，而將主要工作放在用戶(hù)接口的設計上。大部分MCU都能夠通過(guò)I/O引腳對內部定時(shí)器進(jìn)行計時(shí)。某些MCU能夠在設備處于低功耗模式下對定時(shí)器計時(shí)，在定時(shí)器溢出的時(shí)候進(jìn)行喚醒。這種功能非常靈活，因為氣表、水表和熱表可能沒(méi)有本地電源，而是采用電池進(jìn)行供電。

氣表和水表

氣表和水表是設計起來(lái)最簡(jiǎn)單的儀表。這兩種表都采用機械裝置來(lái)測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個(gè)旋轉軸（氣表中）或者一個(gè)旋轉磁鐵（水表中）。圖2給出了氣表的模塊結構圖。氣表的輸出軸上有一個(gè)帶槽的圓盤(pán)和一個(gè)能夠輸出脈沖流的反光計。每個(gè)脈沖表示一定量的氣流。水表內部通常采用旋轉磁鐵和霍耳效應傳感器，每當磁鐵通過(guò)的時(shí)候，這種傳感器就能夠產(chǎn)生輸出脈沖。氣表和水表的脈沖流都可以連接到MCU內部計數器的時(shí)鐘輸入端。

圖2  氣表結構模塊圖 
 
氣表和水表設計中的一大挑戰就是它們附近一般都沒(méi)有線(xiàn)性電源。這意味著(zhù)必須用電池或太陽(yáng)能供電。太陽(yáng)能電池十分昂貴，會(huì )額外增加儀表的固定成本。本文的設計方案采用一個(gè)低功耗MCU，它能夠對脈沖進(jìn)行計數，周期性地將數據保存到非易失性存儲器中，每月上傳一次收費信息。圖2中給出的例子是一種Microchip公司推出的PIC16F9xx系列MCU。這一系列的MCU擁有4～8KB的Flash程序存儲器、高達336B的RAM、256B的數據EEPROM，MCU內置8MHz的晶振、10位A/D，具有I2C、SPI、USART接口，能夠驅動(dòng)顯示168個(gè)像素。這些功能再結合低功耗特性使得這種MCU十分適用于采用電池供電的氣表和水表。

熱表

不同用戶(hù)所居住的地區和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過(guò)散熱器進(jìn)行供熱是比較常見(jiàn)的方式。熱表的結構比氣表或水表略微復雜一些，因為熱力學(xué)計算熱量的方式涉及溫度和流量。熱表要同時(shí)測量散熱器入口和出口的溫度，還要測量水流通過(guò)散熱器的流速。根據這些測量結果，MCU再根據熱力學(xué)公式計算出熱能使用量。圖3給出了一個(gè)熱表的實(shí)例。

為了降低熱表的成本，我們可以采用MCU來(lái)校準和調節溫度傳感器。溫度傳感器通常采用RTD（電阻式溫度檢測器）或類(lèi)似的器件，它們能夠浸泡在液體中工作。MCU中可以保存一個(gè)校準表，用于把傳感器的模擬輸出量轉換為線(xiàn)性的溫度值。熱表中使用的流速表與水表中的類(lèi)似，也會(huì )產(chǎn)生輸出脈沖。

熱表的設計還有另外一個(gè)挑戰是氣表和水表沒(méi)有的。熱表都是安裝在用戶(hù)住宅內的，不像氣表和水表可以安裝在戶(hù)外。沒(méi)有AMR功能，抄表員抄錄熱能使用量時(shí)必須有用戶(hù)在家里配合?；贛CU的熱表比較容易實(shí)現RF功能，即使用戶(hù)不在家也可以實(shí)現抄表。圖3中的例子也采用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性并集成了LCD模塊。

圖3  熱表結構模塊圖  

電表

電子儀表最令人關(guān)注的焦點(diǎn)可能是電表。偷竊問(wèn)題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因。因為不但儀表會(huì )被竄改以減少其顯示的用電量，而且抄表員也容易因為接受用戶(hù)的賄賂而竄改抄表數據。所以，具備自動(dòng)抄表功能的電子儀表能夠大大減少公用事業(yè)部門(mén)損失的收入。

電表設計中的最大挑戰是需要精確記錄用電量。如前所述，某些制造商要求高達0.2%的精度。電表還必須能夠處理大型的電感負載，例如電冰箱、HVAC（采暖通風(fēng)空調機）、洗衣機和干衣機之類(lèi)的電器。因此，對于設計者來(lái)說(shuō)采用MCU或者分立元件是最佳的設計方案。慶幸的是，很多制造商同時(shí)提供了兩種類(lèi)型的電表。為了簡(jiǎn)化設計，分立式設計提供了負載和電源接口，采用測量引擎測量電流和電壓并計算用電量，使用簡(jiǎn)單的脈沖輸出方式。圖4給出的例子中使用PIC16F9XX器件作MCU，采用Microchip公司的MCP3905測量用電量。MCP3905的典型精度為0.1%，具有電源反向指示功能，采用分流電阻測量電流。電源輸出驅動(dòng)機械式兩相步進(jìn)電機，但是也可以驅動(dòng)MCU的計數器輸入。

圖4  電表結構模塊圖  

結語(yǔ)
相比機械式儀表，電子儀表具有小巧、可靠、精確度高的特點(diǎn)，并且能夠采用防竄改電路機制增加公用事業(yè)部門(mén)的收入，減少用戶(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。采用脈沖計數的電子儀表解決方案能夠大大降低設計復雜性。這樣就可以讓設計者把精力集中在更方便的數據采集和收費功能的設計上。