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摘 要:為了適應(yīng)電能表高精度、低功耗、智能化的發(fā)展趨勢(shì),將射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到電子式預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作流程,給出了主要電路模塊的原理圖,包括電能計(jì)量部分、射頻接口部分等,并從低功耗和抗干擾等方面進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。射頻識(shí)別技術(shù)是未來(lái)電能表的一種重要的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:電能表; 射頻識(shí)別; ADE7755; 可靠性
OUYANG Hong-zhi, GUAN Jin-yun, LI Ke-sheng, LIU Hua
圖1 系統(tǒng)總體框圖
1.2 工作流程
供電網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流分別采樣后,都轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ秒娔苡?jì)量芯片電壓、電流計(jì)量通道所允許的輸入范圍內(nèi)的電壓值,芯片計(jì)算兩個(gè)輸入電壓的乘積后,再對(duì)乘積進(jìn)行低通濾波,獲取有功功率信息,然后將有功功率進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成頻率,以高頻脈沖信號(hào)的形式輸出。輸出脈沖頻率為:
f=K(8.06×V1×V2×G×F1-4)V2REF
(1)
式中:K是由芯片引腳配置確定的倍率;V1,V2分別是電流、電壓通道差動(dòng)輸入電壓的有效值;G是片內(nèi)PGA增益;F1-4是由芯片主時(shí)鐘分頻所得的常數(shù);VREF是片內(nèi)基準(zhǔn)電壓。MCU在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)芯片的高頻輸出脈沖計(jì)數(shù),平均功率正比于平均頻率,用戶所耗電能為:
2 硬件電路
2.1 總體原理圖
基于RFID的單相電能表的硬件電路包括計(jì)量單元、射頻接口單元、通信單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、繼電器控制單元、CPU監(jiān)控單元和電源電路單元等部分。預(yù)付費(fèi)單相電能表原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
微處理器采用TI公司推出的超低功耗16位MSP430F417單片機(jī),它具有32 KB FLASH和1 KB RAM,帶有96段LCD驅(qū)動(dòng)器。計(jì)量部分用ADI公司的高可靠性專用電能計(jì)量芯片ADE7755[4]。射頻讀寫接口芯片選用PHILIPS公司射頻識(shí)別讀寫專用芯片MF RC500,射頻卡選用低成本可讀寫的Mafare MF1卡[5]。電能表與上位機(jī)的信息交互采用近紅外光電通信方式,ADE7755的高頻輸出脈沖經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后再輸出低頻脈沖,由LED顯示,直觀地反映用戶的用電情況。存儲(chǔ)部分采用非易失性鐵電存儲(chǔ)器FM24CL04和E2PROM存儲(chǔ)器24C64。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用ETC公司的低功耗時(shí)鐘芯片RTX8593。鋰電池用于保證在電網(wǎng)斷電時(shí)電能表的正常運(yùn)行,掉電監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)監(jiān)控線性電源網(wǎng)絡(luò)的工作情況。負(fù)荷控制部分采用磁保持繼電器控制負(fù)載的通斷,為方便用戶和工作人員獲取電能表信息,電能表采用單個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)電表部分信息的查詢。
2.2 電能計(jì)量電路
電量測(cè)量采用ADI公司的ADE7755作為測(cè)量芯片,它是一種量程寬、精度高,內(nèi)部具有掉電保護(hù)、上電自動(dòng)復(fù)位電路的電能測(cè)量專用集成電路。
電壓采樣信號(hào)通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后連接到ADE7755取樣的電壓計(jì)量通道,電流采樣信號(hào)通過(guò)錳銅片后送入ADE7755的電流計(jì)量通道,考慮到實(shí)際電網(wǎng)電壓存在波動(dòng)和負(fù)載電流可能超載,電能表電壓通道的標(biāo)稱電壓設(shè)在半滿度值;同時(shí),電流通道在最大負(fù)載時(shí)也不應(yīng)超過(guò)半滿度值,這樣設(shè)置可允許對(duì)電流信號(hào)和高峰值因數(shù)信號(hào)進(jìn)行累計(jì)。CF頻率輸出端經(jīng)過(guò)外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755的無(wú)負(fù)載門限和啟動(dòng)電流特性將消除電能表中的漏電效應(yīng)。ADE7755設(shè)定了一個(gè)最小輸出頻率,當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的輸出頻率低于這個(gè)規(guī)定的最小輸出頻率,F1,F2和CF將不會(huì)輸出任何脈沖,這個(gè)最小輸出頻率是滿量程輸出頻率對(duì)應(yīng)的F1-4的0.001 4%。電能表的脈沖常數(shù)是1 600 imp/kWh,最大負(fù)載電流是60 A,最合適的F1-4頻率為13.6 Hz。2.3 射頻接口電路
采用PHILIPS公司的13.56 MHz MF RC500 RFID芯片,Mifare Standard 1k智能卡的核心是Mifare1 IC S50系列微芯片[6]。Mifare 1 IC智能卡內(nèi)建有高速的CMOS E2PROM和MCU等, Mifare1射頻卡所具有的獨(dú)特的Mifare RF非接觸接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)。由于MSP430總線不外擴(kuò),所以還要對(duì)其模擬總線時(shí)序,典型接法如圖3所示。其他MCU處理單元、通信接口、LCD顯示部分、電源部分等略。
圖3 射頻接口電路
3 軟件設(shè)計(jì)
整體來(lái)講,軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分,采用模塊化設(shè)計(jì)。
4.3 信息安全技術(shù)
采用“一表一卡”、CRC校驗(yàn)、信息加密技術(shù)等。
4.4 EMC/EMI特性
射頻芯片對(duì)周圍的電路會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮通過(guò)濾波,增加磁珠,優(yōu)化PCB板布局等方法,提高整個(gè)系統(tǒng)的EMC/EMI特性。
5 結(jié) 語(yǔ)
射頻識(shí)別技術(shù)以其高度的信息集成度及安全性已經(jīng)融入當(dāng)今信息技術(shù)主流。本文設(shè)計(jì)的基于RFID的單相預(yù)付費(fèi)電能表不僅具有計(jì)量收費(fèi)功能,還可通過(guò)射頻卡或者掌上電腦,與相關(guān)售電管理部門的上位機(jī)軟件通信,簡(jiǎn)化了預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度,解決了居民用電傳統(tǒng)管理方式中收費(fèi)難、催費(fèi)難的問(wèn)題,順應(yīng)了國(guó)際上電能表的需求方向。運(yùn)行證明,該電能表讀寫穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳遞可靠,抗干擾能力強(qiáng),管理實(shí)時(shí)便捷,必將占據(jù)未來(lái)電能表的一席之地。
參考文獻(xiàn)
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[2]鐘包.RFID技術(shù)及其發(fā)展前景分析[J].金卡工程,2006,25(6):56-58.
[3]劉洪利.智能型復(fù)費(fèi)率數(shù)字電能表的設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2005,21(3): 241-243.
[4]楊麗飛,馬金元.基于ADE7757的高性能電能表的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2007,35(4):104-107.
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