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1 引言 防竊電與計(jì)量單相電表是當(dāng)今智能化建筑領(lǐng)域中不可少的安全控制項(xiàng)目.如何用運(yùn)用微控制器技術(shù)的嵌入式解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)是工程技術(shù)人員與社區(qū)所關(guān)心的問(wèn)題。為此,本文就防竊電及計(jì)量電表中微控制器嵌入式技術(shù)的應(yīng)用作研討。 2 面臨的挑戰(zhàn) 當(dāng)前，電子式電能表的防竊電與計(jì)量技術(shù)在電能表行業(yè)中的地位越來(lái)越重要，人們所意識(shí)到尤其是竊電現(xiàn)象和防竊電技術(shù)的類型在不斷增多，而且每年都會(huì)針對(duì)新的竊電行為研究出相應(yīng)的防竊電與計(jì)量技術(shù)。其特點(diǎn)是，無(wú)論在任何國(guó)家任何地區(qū)內(nèi)，都要求電能表有防竊電的計(jì)量。 以往，在傳統(tǒng)的電子式電能表設(shè)計(jì)中，由于以下原因，導(dǎo)致不能較完善地檢測(cè)或處理竊電行為：僅使用進(jìn)線端的電壓和火線的進(jìn)出端所流經(jīng)的電流作為電能計(jì)量的依據(jù)；絕大多數(shù)沒(méi)有使用很可靠的鉛封；一些竊電方式很易操作，但卻很難檢測(cè)。 為此，如何運(yùn)用微控制器技術(shù)的嵌入式方案以解決當(dāng)前多種竊電行為或技術(shù)的研發(fā)己成為智能化建筑領(lǐng)域中不可少的安全控制項(xiàng)目。 2.1 當(dāng)今應(yīng)用微控制器嵌入式技術(shù)的計(jì)量與防竊電電表方案 2.1.1新型單片電能表微控制器 如今，用戶電表正逐漸朝著多費(fèi)率、多功能和高精度方向發(fā)展。該新型單片電表微控制器的功能和應(yīng)用性，使多功能、多費(fèi)率電表沒(méi)計(jì)更加簡(jiǎn)單和可靠，實(shí)現(xiàn)更加高效的電能傳送，有效提高電表生產(chǎn)和制造效率。最基本的多費(fèi)率、多功能全電子電表的基本架構(gòu)為：采集輸入電壓和輸入電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換器、顯示屏、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、非易失存儲(chǔ)器、電源及內(nèi)嵌程序的微控制器。將上述大部分功能電路與微控制器集成在一起。以Maxim的單片電表微控制器MAXQ2000為例，它在單一硅片上集成了雙路16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，分別用于電壓和電流信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換；兩個(gè)全功能異步串行通信口(其中一個(gè)可以配置為紅外信號(hào)模式)；一個(gè)液晶顯示控制器和一個(gè)獨(dú)立的16X16乘法器；芯片上還集成了足夠的數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器，以滿足多費(fèi)率、多功能電表的復(fù)雜要求。圖1為以MAXQ2000微控制器為核心的單相電表基本架構(gòu)示意圖。 2,1,2 關(guān)于電壓輸入轉(zhuǎn)換 從圖1可知，方案中采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將電壓輸入轉(zhuǎn)換成微控制器內(nèi)部ADC可接受的－1V到+1V輸入。電流信號(hào)輸入端，采用一個(gè)并聯(lián)電流分流器將電表的電流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào)電壓輸入。通過(guò)分流器的電壓信號(hào)必須足夠低，盡量降低功率損耗：一個(gè)0.5mΩ的分流器(假定輸入最大電流等于40A)只能提供0mV的滿擺幅電壓輸出，但其功耗接近1W。 2.1.3 關(guān)于架構(gòu)中串行通信口 從圖1可知，有2個(gè)外部串行通信口與微控制器相連。其一是基于RS-485標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信口。在EIA485通信網(wǎng)絡(luò)中，用PC作為網(wǎng)絡(luò)的主控制器。隨著PC輪詢這些電表，它們會(huì)進(jìn)行響應(yīng)，將表示所用電量的數(shù)據(jù)包上傳，PC匯總所有用戶數(shù)據(jù)之后再傳送至計(jì)費(fèi)中心；其二是紅外發(fā)送和接收系統(tǒng)，它基于簡(jiǎn)單的異步通信協(xié)議。通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)制電路將串口輸出數(shù)據(jù)“o”調(diào)制為38kHz信號(hào)，數(shù)據(jù)“1”則不調(diào)制。 2,2 選擇微控制器MSP430F2012或單芯片ADE7169的單相防竊電電表方案 MSP430FE42X系列單片機(jī)將電能計(jì)量模塊直接嵌入在MSP430十六位單片機(jī)內(nèi)部，相當(dāng)于把一個(gè)電計(jì)量芯片與一個(gè)MCU的結(jié)合，他使得單相電表的設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，成本也得到進(jìn)一步的降低。而單芯片ADE7169在單相防竊電電表也具有與MSP430F2012相同和獨(dú)特之優(yōu)勢(shì)。 該單相防竊電電表方案的防竊電技術(shù)是智能化建筑領(lǐng)域中安全控制的重要項(xiàng)目，它具有兩路電流輸入采樣和內(nèi)部竊電判斷；通過(guò)數(shù)字增益調(diào)節(jié)，兩路電流增益可以保持一致；當(dāng)檢測(cè)到掉零線故障時(shí)，可以按照電流有效值計(jì)量；具有自動(dòng)竊電檢測(cè)，不需要額外的程序設(shè)計(jì)。 本文僅對(duì)基于微控制器MSP430F2012與ADE7169單芯片技術(shù)方案的單相防竊電電表方案進(jìn)行分折。 3 單相防竊電電表設(shè)計(jì)方案 為更好的分析，在此通過(guò)二種方案作比較說(shuō)明。 3.1 基于微控制器MSP430F2012技術(shù)的防竊電電表方案 MSP430FE42X不是將電能計(jì)量模塊與MSP4301"CPU的簡(jiǎn)單結(jié)合，它還提供了對(duì)內(nèi)部模塊的控制。如果用在單相電表的設(shè)計(jì)，可以直接啟動(dòng)內(nèi)部電能計(jì)量模塊ESP430，如果用于一些其他的需要16位A/D的產(chǎn)品中時(shí)，可以禁止ESP430模塊，直接對(duì)前置可變?cè)鲆?a href="http://m.4huy16.com/keyword/放大器" target="_blank" class="relatedlink">放大器和A/D轉(zhuǎn)換器控制。因而，這款單片機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有很大的靈活性。圖2為由MSP430FE42X單片機(jī)為核心的單相防竊電電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖。 MSP430FE42X多功能電能表電子模塊有多種板型結(jié)構(gòu)，可直接安裝在單相電度表內(nèi)。該產(chǎn)品可通過(guò)掌上電腦，以無(wú)線紅外或有線方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)抄收；也可通過(guò)表上的四個(gè)按鍵進(jìn)行設(shè)置和查詢。此外，還配有RS485接口，可通過(guò)RS485進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)抄收。 ⑴主要功能 包括電量計(jì)量，需要量、負(fù)荷計(jì)量(可選)，費(fèi)率管理，時(shí)間管理，事件記錄，輸出接口，顯示，通訊接口，按鍵操作及掌上電腦操作等。 ⑵主要技術(shù)指標(biāo) 電量計(jì)量精度10年；環(huán)境條件包括工作溫度-20℃"十55℃、運(yùn)輸存儲(chǔ)溫度為-25℃"十70℃、相對(duì)濕度為⑶如何防竊電主要是對(duì)電流不平衡竊電行為的防竊電技術(shù) 通常電流不平衡體現(xiàn)為接地模式，實(shí)際上電流不平衡包括任何的火線和零線的測(cè)量所得到的負(fù)載電流不平衡的情況。竊電者可能旁路部分電流導(dǎo)致電表的測(cè)量值小于真實(shí)值。竊電者可能用簡(jiǎn)單的金屬楔打進(jìn)電表的接線端，這種竊電行為比較容易實(shí)施。如果要求讀表，竊電者可以在幾秒內(nèi)移除旁路電流的金屬楔，所以很難檢測(cè)這種竊電方式。 要檢測(cè)電流的不平衡就不可避免地增加了電表的成本，必須額外增加一個(gè)電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)零線的電流檢測(cè)。由于隔離原因，可以在第一路的電流通道上迭用低成本的錳銅電阻，但另一路就必須使用成本相對(duì)較高的電流互感器。對(duì)于單相表，可以同時(shí)測(cè)量火線和零線的電流來(lái)檢測(cè)電流是否不平衡；對(duì)于三相表，可以監(jiān)控中線的電流來(lái)檢測(cè)三相的電流是否不平衡。 在圖2中，MSP430FE42x內(nèi)置有三個(gè)獨(dú)立的16位ADC及電能計(jì)量模塊ESP430。ESP430能自動(dòng)控制三個(gè)獨(dú)立的16位ADC進(jìn)行兩個(gè)電流通道(火線和零線)及一個(gè)電壓通道的采樣，并自動(dòng)比較兩個(gè)電流通道的電流大小，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時(shí)的檢測(cè)和防竊電測(cè)量。 圖2中ESP430將同時(shí)計(jì)量經(jīng)錳銅電阻取樣的火線電流和經(jīng)CT取樣的零線電流。正常情況下，漏電流很小，所以火線回路和零線回路的電流基本一致，可以給電能計(jì)量模塊ESP430預(yù)置一個(gè)2電流通道的竊電比例因子Ratio Tamp(比率砸緊)，當(dāng)電流通道1的電流I1>I2×Ratio Tamp或電流通道2的電流I2>I1×RatioTamp時(shí)，ESP430認(rèn)為2個(gè)電流通道電流不平衡，表明有竊電行為發(fā)生。 ⑷如何實(shí)現(xiàn)對(duì)移除主電壓竊電行為時(shí)的防竊電測(cè)量 移除主電壓竊電行為是斷開(kāi)一根導(dǎo)線的連接，主電壓為零。竊電者可能會(huì)附加二極管、電容、電阻等器件及其組合來(lái)干擾對(duì)主電壓的正常檢測(cè)，見(jiàn)圖3所示。 竊電者企圖通過(guò)這些附加的元器件改變主電壓的特性，干擾電能表檢測(cè)竊電行為的發(fā)生。 MSP430FE42x系列微控制器具有豐富的模擬前端和防竊電多功能電能表計(jì)量模塊ESP430，可以較容易地實(shí)現(xiàn)移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量。 在這個(gè)方案中，除電池以外，電能表的電源供給由兩部分組成：其一、火線和零線的主電壓提供電源；其二、供電CT從電流上竊取提供電源，所以當(dāng)移除主電壓時(shí)，供電CT從電流上竊取的電源仍能保持電能表工作，進(jìn)行防竊電測(cè)量。 3.2 基于ADE7169的防竊電單相表的設(shè)計(jì) 3.2.1 設(shè)計(jì)要求 為單相1級(jí),其電壓為"220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200;有LCD顯示;具備RS485及紅外通訊接口;具備防竊電功能,即零／火線調(diào)換竊電及掉零竊電;具備事件記錄功能，能夠準(zhǔn)確記錄每次竊電事件發(fā)生的具體時(shí)間;具備停電顯示功能。 3.2.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)技術(shù)分別為：LCD驅(qū)動(dòng)+MCU;UART+紅外調(diào)制；需要同時(shí)計(jì)量零線和火線電流；需要掉零防竊電功能；電池供電管理；有實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 ADE7169單芯片方案見(jiàn)圖4所示。 該單芯片方案集成度高；高可靠性故障率/低故障率/；軟件校表；單芯片采購(gòu)容易；計(jì)量功能豐富，性能高；整體成本低。從中看出ADE7169單芯片防竊電單相表的設(shè)計(jì)方案比常用方案優(yōu)越得多。因?yàn)槌Ｓ梅桨付嘈酒桨讣啥鹊�，高故障�?低可靠性，需要硬件校表，而多芯片采購(gòu)難度大，計(jì)量功能單—整體成本高。 ADE7169單芯片方案的核心部分的構(gòu)建 圖5所示為構(gòu)建示意圖。 上述單相防竊電電表設(shè)計(jì)方案，不是傳統(tǒng)的沒(méi)有防竊電測(cè)量的簡(jiǎn)單單相電能表，也不再是僅能測(cè)量火線的電流信號(hào)和電能表進(jìn)線端的電壓信號(hào)，它具備對(duì)各類竊電行為的防竊電技術(shù)。不會(huì)再象傳統(tǒng)簡(jiǎn)單單相電能表那樣，出現(xiàn)即使是非常簡(jiǎn)單的竊電行為也是無(wú)能為力的現(xiàn)象。 4 拓寬基于單芯片與微控制器技術(shù)的防竊電單相表的應(yīng)用 基于單芯片與微控制器的防竊電單相表具備對(duì)用磁場(chǎng)干擾與電流不平衡的竊電行為及對(duì)移除主電壓竊電行為等多種防竊電測(cè)量技術(shù)。本節(jié)僅對(duì)用磁場(chǎng)干擾的防竊電技術(shù)作說(shuō)明。 4.1 永久磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)干擾是一種竊電行為 眾所用知，永久磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)都會(huì)影響電表的正常計(jì)量。竊電者在電表附近放置強(qiáng)磁磁鐵或大線圈都能于擾電表的正確計(jì)量，達(dá)到竊電的目的。見(jiàn)圖6中的紅曲線所示。 圖6 在電表附近放置強(qiáng)磁磁鐵或大線圈干擾電表的正確計(jì)量以達(dá)到竊電目的示意圖 4.2防竊電方案 方法一：因強(qiáng)磁磁鐵靠近表殼將減小功率的測(cè)量值，甚至能將功率減小到0。由于磁鐵的影響范圍較小，所以電流互感器在表殼內(nèi)的位置對(duì)抵御磁鐵的干擾相當(dāng)有幫助。大線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)影響電能表中大多數(shù)的元器件和核心電子器件等。為了防止磁場(chǎng)干擾，電能表內(nèi)部元器件的位置及其安裝位置非常重要。應(yīng)把易受磁場(chǎng)影響的敏感器件盡量放在貼近電能表背面的地方，因?yàn)橥ǔ８`電者很難從電能表背后干預(yù)電表的正確計(jì)量；應(yīng)保持易受磁場(chǎng)影響的敏感器件遠(yuǎn)離電能表的頂部和兩邊，因?yàn)轫敳亢蛢蛇吺侨菀渍掣酱盆F的地方。 方法二：磁屏蔽是一種非常有效的防止磁場(chǎng)干擾的方法。首先，可使用金屬外殼的電流互感器，屏蔽磁場(chǎng)對(duì)它的影響。其次可以在表殼內(nèi)襯薄層金屬，以屏蔽整個(gè)電能表模塊。但是這種做法將增大原材料、生產(chǎn)及安裝的成本。 |
