關(guān)于電壓輸入轉(zhuǎn)換 - 新型微控制器在防竊電及計(jì)量電表中的應(yīng)用

　　從圖1可知，方案中采用電阻

　　電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

　　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轉(zhuǎn)換為小信號電壓輸入。通過分流器的電壓信號必須足夠低，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)，它基于簡單的異步通信協(xié)議。通過簡單的調(diào)制電路將串口輸出數(shù)據(jù)“o”調(diào)制為38kHz信號，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)的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器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。

　　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，不需要額外的程序設(shè)計(jì)。

　　本文僅對基于微控制器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，在此通過二種方案作比較說明。

　　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的簡單結(jié)合，它還提供了對內(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，直接對前置可變增益放大器和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)品可通過掌上電腦，以無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RS485進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)抄收。

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　　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)輸存儲溫度為-25℃~十70℃、相對濕度為<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)致電表的測量值小于真實(shí)值。竊電者可能用簡單的金屬楔打進(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，所以很難檢測這種竊電方式。

　　要檢測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的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“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，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。

　　，以實(shí)現(xiàn)零線的電流檢測。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較高的電流互感器。對于單相表，可以同時(shí)測量火線和零線的電流來檢測電流是否不平衡;對于三相表，可以監(jiān)控中線的電流來檢測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)的檢測和防竊電測量。

　　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)對移除主電壓竊電行為時(shí)的防竊電測量

　　移除主電壓竊電行為是斷開一根導(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。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干擾對主電壓的正常檢測，見圖3所示。

　　竊電者企圖通過這些附加的元器件改變主電壓的特性，干擾電能表檢測竊電行為的發(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)行防竊電測量。