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 
*    具有防竄改保護功能 
*    自動抄表 
*    安全性好 
*    先進的收費方式（使用時間、預付費等）

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

 
圖1  帶外部時鐘輸入的MCU 8位或16位定時器

更高的精度

儀表是根據其測量精度進行分類的。例如，一個機械式電表的典型精度是2%左右。相比之下，一個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，那么就能夠通過軟件參數調節測量精度。這樣，只需開發一個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部門來說，這種方式都能夠提供最新和最經濟的產品。

容易校準

常規的機械式儀表包含很多可動的部件。隨著使用時間的延長，這些部件可能需要重新調校，才能使儀表恢復正常狀態。調校時通常要把儀表拆卸下來并返回廠家進行校準，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，甚至可以采用自動校準的方式。

防竄改保護

一般來說，公用表最大的一個問題就是偷竊。在很多情況下，竊賊竄改儀表是為了改變測量結果。偷竊問題通常出現在電表上，形式多種多樣。根據電表的類型，竊賊可能通過插入后門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片的老式電表對磁場非常敏感，會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。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部門發送報警信息的方式，指出發生了偷竊竄改事故。

自動抄表

電子儀表最大的一個優勢就是增加了自動抄表（AMR）功能。這樣一來，就不用派專人去現場登記使用數據，從而節省了大量的開銷。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。

目前有多種技術可以實現電子儀表的AMR功能，或者改進已有的機械式/機電式儀表。通過下列幾種方式可以實現電子儀表的自動抄表和通信： 
*    紅外——通過儀表的面板實現近程紅外LED傳輸； 
*    RF——近程或遠程通信，例如ZigBeeTM協議，或蜂窩網絡； 
*    通過電話線的數據調制解調方式； 
*    PLC（電力線載波）——近程到中程傳輸 
*    串口（RS-485）

與手持式設備（通過IrDATM協議或者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功能的優勢。盡管這種方式仍然需要抄表員到各個儀表安裝現場抄表，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程。此外，ZigBee聯盟正在開發一種測量方案，能夠使水表、氣表、熱表和電表的制造商之間實現相互兼容，通過一種共同的通信媒介發送儀表數據。

安全性

隨著測量過程自動化程度的提高，安全數據存儲和通信技術的需求也與日俱增。確保公用事業部門所收集數據的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過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實現。另外儀表使用數據的安全通信也令人關注。同樣，可以使用多種加密算法和握手協議實現安全的數據傳輸。

先進的收費方式

電子儀表已經開始根據TOU（使用時間）進行收費了。TOU分別設定高峰期（使用率較高）和非高峰期（使用率較低）時間。TOU收費有多種好處。首先，如果用戶在非高峰期使用，則可以享受較低的價格。其次，由于高峰期的用戶要支付較高的使用價格，TOU收費方式很自然地就分流了許多高峰期的用戶。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，在用戶需求不斷增長的情況下保持一種穩定的容量。要想實現TOU收費，儀表內部需要設置RTCC（實時時鐘和日歷）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備很容易實現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現的。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，使電表在一定的時間段內向指定的負載供電。預付費方式降低了公用事業部門收費和抄表的成本，也有助于幫助用戶提前計劃他們每月的開支。

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。這樣看來儀表的研發時間似乎要增加了，因為研發包括兩個部分：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，本文要介紹如何把基本的儀表功能設計簡化為一個簡單的脈沖計數器，而將主要工作放在用戶接口的設計上。大部分MCU都能夠通過I/O引腳對內部定時器進行計時。某些MCU能夠在設備處于低功耗模式下對定時器計時，在定時器溢出的時候進行喚醒。這種功能非常靈活，因為氣表、水表和熱表可能沒有本地電源，而是采用電池進行供電。

氣表和水表

氣表和水表是設計起來最簡單的儀表。這兩種表都采用機械裝置來測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個旋轉軸（氣表中）或者一個旋轉磁鐵（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帶槽的圓盤和一個能夠輸出脈沖流的反光計。每個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，每當磁鐵通過的時候，這種傳感器就能夠產生輸出脈沖。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。本文的設計方案采用一個低功耗MCU，它能夠對脈沖進行計數，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，能夠驅動顯示168個像素。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

不同用戶所居住的地區和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過散熱器進行供熱是比較常見的方式。熱表的結構比氣表或水表略微復雜一些，因為熱力學計算熱量的方式涉及溫度和流量。熱表要同時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。根據這些測量結果，MCU再根據熱力學公式計算出熱能使用量。圖3給出了一個熱表的實例。

為了降低熱表的成本，我們可以采用MCU來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）或類似的器件，它們能夠浸泡在液體中工作。MCU中可以保存一個校準表，用于把傳感器的模擬輸出量轉換為線性的溫度值。熱表中使用的流速表與水表中的類似，也會產生輸出脈沖。

熱表的設計還有另外一個挑戰是氣表和水表沒有的。熱表都是安裝在用戶住宅內的，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必須有用戶在家里配合。基于MCU的熱表比較容易實現RF功能，即使用戶不在家也可以實現抄表。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

電子儀表最令人關注的焦點可能是電表。偷竊問題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因。因為不但儀表會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的賄賂而竄改抄表數據。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部門損失的收入。

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（采暖通風空調機）、洗衣機和干衣機之類的電器。因此，對于設計者來說采用MCU或者分立元件是最佳的設計方案。慶幸的是，很多制造商同時提供了兩種類型的電表。為了簡化設計，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。電源輸出驅動機械式兩相步進電機，但是也可以驅動MCU的計數器輸入。

圖4  電表結構模塊圖  

結語
相比機械式儀表，電子儀表具有小巧、可靠、精確度高的特點，并且能夠采用防竄改電路機制增加公用事業部門的收入，減少用戶的開銷。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。