一种基于简单的电子公用仪表解决方案

引言

电子公用仪表与目前使用的传统机械式和机电式仪表解决方案相比，具有很多优势。无论是气表、水表、热表，还是电表，都可以利用电子仪表的如下某些或全部特性：

精度更高

校准容易

防篡改保护

自动抄表

安全性好

先进的计费方式（分时计费和预付费等）

电子仪表的设计不一定要采用复杂的实现方式。在本文所介绍的实例中，通过基于单片机（MCU）的脉冲计数器可以大大简化各类仪表的实现。图1给出了一种基于MCU的典型计数器的组成框图。

图1带外部时钟输入的MCU 8位或16位定时器

精度更高

仪表是根据测量精度进行分类的。例如，一个机械式电表的典型精度是2%左右。相比之下，一个普通的电子电表可以达到0.2%的测量精度。如果在仪表设计中使用MCU，那么就能够通过改变软件参数调节测量精度。这样，只需开发一个硬件平台就可以支持多级测量精度，因此可使仪表生产商简化生产流程，且可为安装仪表的公用事业公司带来良好的规模经济。

校准容易

常规的机械式仪表包含很多可动的部件。随着使用时间的延长，这些部件可能需要重新调校，才能使仪表恢复正常状态。调校时通常要把仪表拆卸下来并返回厂家进行校准，非常不便。但是通过使用MCU中的非易失性存储器（EEPROM或Flash）就可以很方便的存储或更新校准信息，甚至可以设计为采用自动校准的方式。

图2气表结构框图

防篡改保护

一般来说，公用仪表最大的一个问题就是偷窃现象。在很多情况下，篡改仪表是为了改变测量结果。偷窃问题通常出现在电表上，形式多种多样。根据电表的类型，某些仪表可能被反接而使电量计数递减而不是递增。另外，采用钢铁材料作旋转盘片的老式仪表易受磁体的影响，会因此而减慢旋转的速度，从而引起错误的电量测量结果。可以使用几个简单的方法来检测电子仪表的篡改和偷窃现象。尤其对于电表来说，可以检测到多种"典型"情况，如：

。负载不对称（回路被接地，导致不对用电进行计量）

。电表暂时断开（或被旁路）

。使用永磁体使电流互感器饱和或停止计数器

。恶意破坏

一旦检测到篡改现象，我们可以对仪表采取多种防范措施。如果仪表控制供电，它可以将负载的供电断开。另外，如果仪表具有通信机制，还可以通过点亮指示灯或者向公用事业公司发送报警消息的方式，指明发生了偷窃篡改情况。

电子抄表

电子仪表最大的一个优势就是增加了自动抄表（AMR）功能。这样一来，就不用派专人去现场登记使用数据，从而可大大节省开销。人工抄表是一种劳动密集型的工作，容易出现人为差错（甚至是贿赂现象）。由于仪表安装在不同的地方，因此人工抄表无论对于用户还是对于抄表员来说都是非常不方便的。

目前有多种技术可以实现电子仪表的AMR功能，或者改进已有的机械式/机电式仪表。通过下列几种方式可以实现电子仪表的自动抄表和通信：

红外--通过仪表的面板实现近程红外LED传输；

射频（ RF）--近程或远程通信，如ZigBeeTM协议或蜂窝网络；

通过电话线的数据调制解调方式；

电力线载波（PLC）--近程到中程传输

串口（RS-485）

在某些情况下，仅仅通过手持式设备（通过IrDATM协议或者RF方式，最远通信距离可达几百英尺）通信就可以实现AMR功能的优势。尽管这种方式仍然需要抄表员到各个仪表安装现场抄表，但是这种方式能够确保数据读取是准确的，并且能够大大加快抄表过程。此外，ZigBee联盟正在开发一种测量方案，能够使水表、气表、热表和电表的制造商之间实现相互合作，通过一种共同的通信媒介发送使用数据。

安全性好

随着测量过程自动化程度的提高，安全数据存储和通信技术的需求也与日俱增。确保公用事业部门所收集数据的保密性和完整性是非常重要的。这可以通过MCU自身的内部数据EEPROM或者使用加密算法将数据存储到仪表外部的方式来实现。另外仪表使用数据的安全通信也值得关注。同样，可以使用几种加密算法和握手协议来确保安全的数据传输。

图3热表结构框图

先进的计费方式

电子仪表已经可以根据使用时段（Time of Use，TOU）分时计费了。TOU分别设定高峰期（使用率较高）和非高峰期（使用率较低）时段。TOU收费有多种好处。首先，如果用户在非高峰期使用，则可以享受较低的价格。其次，由于高峰期的用户要支付较高的使用价格，TOU计费方式很自然地就在较大程度上降低了高峰期的使用。铺设新的公用基础设施的投资是相当高的。TOU计费有助于分流高峰期的使用需求，在用户需求不断增长的情况下保持一种稳定的容量。要想实现TOU计费，仪表内部需要设置实时时钟和日历（Real TimeClock and Calendar，RTCC），全天跟踪用户的使用情况。电子仪表通过软件或者使用外部设备很容易实现RTCC功能。

最新出现的计费方式是预付费。这一功能主要是在电表中实现的。用户可以使用磁卡提前购买一定的电量，然后将磁卡插入电表中，使电表在一定的时间段内向指定的负载供电。预付费方式降低了公用事业公司计费和抄表的成本，也有助于帮助用户计划每月的开支。

所有上述的收费方式都是建立在公用仪表基本功能基础之上的。这样看来仪表的研发时间似乎要增加了，因为研发包括两个部分：基本的仪表功能，以及防篡改、AMR、安全性和计费方式等新增功能。接下来，本文要介绍如何把基本的仪表功能设计简化为一个简单的脉冲计数器，而将主要工作放在用户接口的设计上。大部分MCU都能够通过内部定时器对I/O引脚的外部时钟输入进行计数。某些MCU的定时器能够在低功耗模式下进行计数，而当定时器溢出时唤醒器件。这种功能非常灵活，因为气表、水表和热表可能没有本地电源，而是采用电池进行供电。