電子公用儀表：一種簡潔的解決方案

引言

如今，相比人們使用的傳統(tǒng)機(jī)械式和（或機(jī)電式）表解決方案而言，電子公用表具有多種優(yōu)勢。無論是測量氣壓、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(zhǔn) 
*    具有防竄改保護(hù)功能 
*    自動抄表 
*    安全性好 
*    先進(jìn)的收費(fèi)方式（使用時(shí)間、預(yù)付費(fèi)等）

電子儀表的設(shè)計(jì)不一定要采用復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)方式。本文所介紹的一種基于微控制器（MCU）的脈沖計(jì)數(shù)器的實(shí)例就可以大大簡化各類表的實(shí)現(xiàn)方式。圖1給出了一種基于MCU的典型計(jì)數(shù)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(jù)其測量精度進(jìn)行分類的。例如，一個(gè)機(jī)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(dá)到0.2%的測量精度。如果在儀表設(shè)計(jì)中使用MCU，那么就能夠通過軟件參數(shù)調(diào)節(jié)測量精度。這樣，只需開發(fā)一個(gè)硬件平臺就可以支持多級測量精度，無論對于儀表制造商還是將安裝儀表的公用事業(yè)部門來說，這種方式都能夠提供最新和最經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。

容易校準(zhǔn)

常規(guī)的機(jī)械式儀表包含很多可動的部件。隨著使用時(shí)間的延長，這些部件可能需要重新調(diào)校，才能使儀表恢復(fù)正常狀態(tài)。調(diào)校時(shí)通常要把儀表拆卸下來并返回廠家進(jìn)行校準(zhǔn)，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(zhǔn)，但是通過使用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(zhǔn)信息，甚至可以采用自動校準(zhǔn)的方式。

防竄改保護(hù)

一般來說，公用表最大的一個(gè)問題就是偷竊。在很多情況下，竊賊竄改儀表是為了改變測量結(jié)果。偷竊問題通常出現(xiàn)在電表上，形式多種多樣。根據(jù)電表的類型，竊賊可能通過插入后門的方式使電量計(jì)數(shù)結(jié)果遞減而不是遞增。另外，采用鋼鐵材料作旋轉(zhuǎn)盤片的老式電表對磁場非常敏感，會因此而減慢旋轉(zhuǎn)的速度，從而引起錯(cuò)誤的電量測量結(jié)果。

一旦發(fā)現(xiàn)竄改現(xiàn)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(fù)載的供電斷開。另外，如果電表具有通信功能，還可以通過指示燈或者向公用事業(yè)部門發(fā)送報(bào)警信息的方式，指出發(fā)生了偷竊竄改事故。

自動抄表

電子儀表最大的一個(gè)優(yōu)勢就是增加了自動抄表（AMR）功能。這樣一來，就不用派專人去現(xiàn)場登記使用數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了大量的開銷。人工抄表是一種勞動密集型的工作，容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)（甚至是賄賂）。由于儀表安裝在不同的地方，因此人工抄表無論對于用戶還是對于抄表員來說都是非常不方便的。

目前有多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電子儀表的AMR功能，或者改進(jìn)已有的機(jī)械式/機(jī)電式儀表。通過下列幾種方式可以實(shí)現(xiàn)電子儀表的自動抄表和通信： 
*    紅外——通過儀表的面板實(shí)現(xiàn)近程紅外LED傳輸； 
*    RF——近程或遠(yuǎn)程通信，例如ZigBeeTM協(xié)議，或蜂窩網(wǎng)絡(luò)； 
*    通過電話線的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式； 
*    PLC（電力線載波）——近程到中程傳輸 
*    串口（RS-485）

與手持式設(shè)備（通過IrDATM協(xié)議或者RF方式，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)幾百英尺）的通信可以在一定程度上體現(xiàn)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(xiàn)場抄表，但是這種方式能夠確保數(shù)據(jù)讀取是準(zhǔn)確的，并且能夠大大加快抄表過程。此外，ZigBee聯(lián)盟正在開發(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(xiàn)相互兼容，通過一種共同的通信媒介發(fā)送儀表數(shù)據(jù)。

安全性

隨著測量過程自動化程度的提高，安全數(shù)據(jù)存儲和通信技術(shù)的需求也與日俱增。確保公用事業(yè)部門所收集數(shù)據(jù)的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過MCU自身的內(nèi)部數(shù)據(jù)EEPROM或者使用加密算法將數(shù)據(jù)存儲到儀表外部的方式來實(shí)現(xiàn)。另外儀表使用數(shù)據(jù)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(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。

先進(jìn)的收費(fèi)方式

電子儀表已經(jīng)開始根據(jù)TOU（使用時(shí)間）進(jìn)行收費(fèi)了。TOU分別設(shè)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(fèi)有多種好處。首先，如果用戶在非高峰期使用，則可以享受較低的價(jià)格。其次，由于高峰期的用戶要支付較高的使用價(jià)格，TOU收費(fèi)方式很自然地就分流了許多高峰期的用戶。鋪設(shè)新的公用基礎(chǔ)設(shè)施的投資是相當(dāng)高的。TOU收費(fèi)有助于分流高峰期的使用需求，在用戶需求不斷增長的情況下保持一種穩(wěn)定的容量。要想實(shí)現(xiàn)TOU收費(fèi)，儀表內(nèi)部需要設(shè)置RTCC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷）功能，全天跟蹤用戶的使用情況。電子儀表通過軟件或者使用外部設(shè)備很容易實(shí)現(xiàn)RTCC功能。

最新出現(xiàn)的收費(fèi)方式是預(yù)付費(fèi)。這一功能主要是在電表中實(shí)現(xiàn)的。用戶可以使用磁卡提前購買一定的電量，然后將磁卡插入電表中，使電表在一定的時(shí)間段內(nèi)向指定的負(fù)載供電。預(yù)付費(fèi)方式降低了公用事業(yè)部門收費(fèi)和抄表的成本，也有助于幫助用戶提前計(jì)劃他們每月的開支。

所有上述的收費(fèi)方式都是建立在公用儀表基本功能基礎(chǔ)之上的。這樣看來儀表的研發(fā)時(shí)間似乎要增加了，因?yàn)檠邪l(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(fèi)方式等。接下來，本文要介紹如何把基本的儀表功能設(shè)計(jì)簡化為一個(gè)簡單的脈沖計(jì)數(shù)器，而將主要工作放在用戶接口的設(shè)計(jì)上。大部分MCU都能夠通過I/O引腳對內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。某些MCU能夠在設(shè)備處于低功耗模式下對定時(shí)器計(jì)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?yàn)闅獗怼⑺砗蜔岜砜赡軟]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(shè)計(jì)起來最簡單的儀表。這兩種表都采用機(jī)械裝置來測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（氣表中）或者一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵（水表中）。圖2給出了氣表的模塊結(jié)構(gòu)圖。氣表的輸出軸上有一個(gè)帶槽的圓盤和一個(gè)能夠輸出脈沖流的反光計(jì)。每個(gè)脈沖表示一定量的氣流。水表內(nèi)部通常采用旋轉(zhuǎn)磁鐵和霍耳效應(yīng)傳感器，每當(dāng)磁鐵通過的時(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(nèi)部計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端。

圖2  氣表結(jié)構(gòu)模塊圖 
 
氣表和水表設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)就是它們附近一般都沒有線性電源。這意味著必須用電池或太陽能供電。太陽能電池十分昂貴，會額外增加儀表的固定成本。本文的設(shè)計(jì)方案采用一個(gè)低功耗MCU，它能夠?qū)γ}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，周期性地將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲器中，每月上傳一次收費(fèi)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(dá)336B的RAM、256B的數(shù)據(jù)EEPROM，MCU內(nèi)置8MHz的晶振、10位A/D，具有I2C、SPI、USART接口，能夠驅(qū)動顯示168個(gè)像素。這些功能再結(jié)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

不同用戶所居住的地區(qū)和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過散熱器進(jìn)行供熱是比較常見的方式。熱表的結(jié)構(gòu)比氣表或水表略微復(fù)雜一些，因?yàn)闊崃W(xué)計(jì)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，還要測量水流通過散熱器的流速。根據(jù)這些測量結(jié)果，MCU再根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)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來校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)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(zhǔn)表，用于把傳感器的模擬輸出量轉(zhuǎn)換為線性的溫度值。熱表中使用的流速表與水表中的類似，也會產(chǎn)生輸出脈沖。

熱表的設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)挑戰(zhàn)是氣表和水表沒有的。熱表都是安裝在用戶住宅內(nèi)的，不像氣表和水表可以安裝在戶外。沒有AMR功能，抄表員抄錄熱能使用量時(shí)必須有用戶在家里配合。基于MCU的熱表比較容易實(shí)現(xiàn)RF功能，即使用戶不在家也可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)模塊圖  

電表

電子儀表最令人關(guān)注的焦點(diǎn)可能是電表。偷竊問題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因。因?yàn)椴坏珒x表會被竄改以減少其顯示的用電量，而且抄表員也容易因?yàn)榻邮苡脩舻馁V賂而竄改抄表數(shù)據(jù)。所以，具備自動抄表功能的電子儀表能夠大大減少公用事業(yè)部門損失的收入。

電表設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是需要精確記錄用電量。如前所述，某些制造商要求高達(dá)0.2%的精度。電表還必須能夠處理大型的電感負(fù)載，例如電冰箱、HVAC（采暖通風(fēng)空調(diào)機(jī)）、洗衣機(jī)和干衣機(jī)之類的電器。因此，對于設(shè)計(jì)者來說采用MCU或者分立元件是最佳的設(shè)計(jì)方案。慶幸的是，很多制造商同時(shí)提供了兩種類型的電表。為了簡化設(shè)計(jì)，分立式設(shè)計(jì)提供了負(fù)載和電源接口，采用測量引擎測量電流和電壓并計(jì)算用電量，使用簡單的脈沖輸出方式。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(qū)動機(jī)械式兩相步進(jìn)電機(jī)，但是也可以驅(qū)動MCU的計(jì)數(shù)器輸入。

圖4  電表結(jié)構(gòu)模塊圖  

結(jié)語
相比機(jī)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(jī)制增加公用事業(yè)部門的收入，減少用戶的開銷。采用脈沖計(jì)數(shù)的電子儀表解決方案能夠大大降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。這樣就可以讓設(shè)計(jì)者把精力集中在更方便的數(shù)據(jù)采集和收費(fèi)功能的設(shè)計(jì)上。