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

　　電阻，物質(zhì)對(duì)電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)為電導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱(chēng)為電絕緣體，簡(jiǎn)稱(chēng)絕緣體。

　　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(mǎn)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(xún)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(hù)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)

　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip Microcomputer)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　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)鲆娣糯笃骱虯/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(xún)。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。

　?、拧≈饕δ?/p>

　　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。

　?、啤≈饕夹g(shù)指標(biāo)

　　電量計(jì)量精度<1%;計(jì)時(shí)精度,時(shí)鐘記時(shí)誤差為<±0.5s/d，時(shí)段切換誤差為<0.1S;電氣性能包括：電子模塊功耗為<3VA，工作電壓范圍為0.8V~1.2V額定電壓及電池壽命>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<95%;電磁兼容性包括靜電放電抗擾性≥8kV、射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾性10V/M、電壓快速瞬變脈沖群抗擾性≥4kV及浪涌抗擾性≥4kV;紅外通訊距離為≥4m。

　?、恰∪绾畏栏`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

　　凡是利用一定的物性(物理、化學(xué)、生物)法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。

　　，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。

　?、热绾螌?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

　　二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

　　、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(lèi)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。