摘 要:為了適應電能表高精度、低功耗、智能化的發展趨勢,將射頻識別技術應用到電子式預付費電能管理系統。介紹了系統的結構和工作流程,給出了主要電路模塊的原理圖,包括電能計量部分、射頻接口部分等,并從低功耗和抗干擾等方面進行了可靠性設計。射頻識別技術是未來電能表的一種重要的發展方向。

　　關鍵詞:電能表; 射頻識別; ADE7755; 可靠性

　　OUYANG Hong-zhi, GUAN Jin-yun, LI Ke-sheng, LIU Hua

　　圖1 系統總體框圖

　　1.2 工作流程

　　供電網絡的電壓、電流分別采樣后,都轉變為專用電能計量芯片電壓、電流計量通道所允許的輸入范圍內的電壓值,芯片計算兩個輸入電壓的乘積后,再對乘積進行低通濾波,獲取有功功率信息,然后將有功功率進一步轉換成頻率,以高頻脈沖信號的形式輸出。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、電壓通道差動輸入電壓的有效值;��G是片內PGA增益;F1-4是由芯片主時鐘分頻所得的常數;VREF是片內基準電壓。MCU在內部定時器設定的積分時間內對芯片的高頻輸出脈沖計數,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量單元、射頻接口單元、通信單元、存儲單元、時鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、繼電器控制單元、CPU監控單元和電源電路單元等部分。預付費單相電能表原理結構框圖如圖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,它具有32 KB FLASH和1 KB RAM,帶有96段LCD驅動器。計量部分用ADI公司的高可靠性專用電能計量芯片ADE7755[4]。射頻讀寫接口芯片選用PHILIPS公司射頻識別讀寫專用芯片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的高頻輸出脈沖經單片機計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。存儲部分采用非易失性鐵電存儲器FM24CL04和E2PROM存儲器24C64。實時時鐘采用ETC公司的低功耗時鐘芯片RTX8593。鋰電池用于保證在電網斷電時電能表的正常運行,掉電監測單元實時監控線性電源網絡的工作情況。負荷控制部分采用磁保持繼電器控制負載的通斷,為方便用戶和工作人員獲取電能表信息,電能表采用單個按鍵實現電表部分信息的查詢。

　　2.2 電能計量電路

　　電量測量采用ADI公司的ADE7755作為測量芯片,它是一種量程寬、精度高,內部具有掉電保護、上電自動復位電路的電能測量專用集成電路。

　　電壓采樣信號通過電阻分壓網絡后連接到ADE7755取樣的電壓計量通道,電流采樣信號通過錳銅片后送入ADE7755的電流計量通道,考慮到實際電網電壓存在波動和負載電流可能超載,電能表電壓通道的標稱電壓設在半滿度值;同時,電流通道在最大負載時也不應超過半滿度值,這樣設置可允許對電流信號和高峰值因數信號進行累計。CF頻率輸出端經過外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755的無負載門限和啟動電流特性將消除電能表中的漏電效應。ADE7755設定了一個最小輸出頻率,當負載產生的輸出頻率低于這個規定的最小輸出頻率,F1,F2和CF將不會輸出任何脈沖,這個最小輸出頻率是滿量程輸出頻率對應的F1-4的0.001 4%。電能表的脈沖常數是1 600 imp/kWh,最大負載電流是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智能卡內建有高速的CMOS E2PROM和MCU等, Mifare1射頻卡所具有的獨特的Mifare RF非接觸接口標準已被制定為國家標準——ISO/IEC 14443 TYPE A標準。由于MSP430總線不外擴,所以還要對其模擬總線時序,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 軟件設計

　　整體來講,軟件設計包括兩大部分,采用模塊化設計。

　　4.3 信息安全技術

　　采用“一表一卡”、CRC校驗、信息加密技術等。

　　4.4 EMC/EMI特性

　　射頻芯片對周圍的電路會產生一定的電磁干擾。在設計時需要考慮通過濾波,增加磁珠,優化PCB板布局等方法,提高整個系統的EMC/EMI特性。

　　5 結 語

　　射頻識別技術以其高度的信息集成度及安全性已經融入當今信息技術主流。本文設計的基于RFID的單相預付費電能表不僅具有計量收費功能,還可通過射頻卡或者掌上電腦,與相關售電管理部門的上位機軟件通信,簡化了預付費系統的設計難度,解決了居民用電傳統管理方式中收費難、催費難的問題,順應了國際上電能表的需求方向。運行證明,該電能表讀寫穩定,數據傳遞可靠,抗干擾能力強,管理實時便捷,必將占據未來電能表的一席之地。

　　參考文獻

　　[1]趙興勇,安廣蘭.IC卡預付費電能表[J].電力學報,2004,19(1):22-23.

　　[2]鐘包.RFID技術及其發展前景分析[J].金卡工程,2006,25(6):56-58.

　　[3]劉洪利.智能型復費率數字電能表的設計[J].上海電力學院學報,2005,21(3): 241-243.

　　[4]楊麗飛,馬金元.基于ADE7757的高性能電能表的設計[J].工礦自動化,2007,35(4):104-107.