1 引言
防竊電與計量單相電表是當今智能化建筑領域中不可少的安全控制項目.如何用運用微控制器技術的嵌入式解決方案進行設計是工程技術人員與社區(qū)所關心的問題。為此,本文就防竊電及計量電表中微控制器嵌入式技術的應用作研討。
2 面臨的挑戰(zhàn)
當前，電子式電能表的防竊電與計量技術在電能表行業(yè)中的地位越來越重要，人們所意識到尤其是竊電現象和防竊電技術的類型在不斷增多，而且每年都會針對新的竊電行為研究出相應的防竊電與計量技術。其特點是，無論在任何國家任何地區(qū)內，都要求電能表有防竊電的計量。
以往，在傳統(tǒng)的電子式電能表設計中，由于以下原因，導致不能較完善地檢測或處理竊電行為：僅使用進線端的電壓和火線的進出端所流經的電流作為電能計量的依據;絕大多數沒有使用很可靠的鉛封;一些竊電方式很易操作，但卻很難檢測。
為此，如何運用微控制器技術的嵌入式方案以解決當前多種竊電行為或技術的研發(fā)己成為智能化建筑領域中不可少的安全控制項目。
2.1 當今應用微控制器嵌入式技術的計量與防竊電電表方案
2.1.1新型單片電能表微控制器
如今，用戶電表正逐漸朝著多費率、多功能和高精度方向發(fā)展。該新型單片電表微控制器的功能和應用性，使多功能、多費率電表沒計更加簡單和可靠，實現更加高效的電能傳送，有效提高電表生產和制造效率。最基本的多費率、多功能全電子電表的基本架構為：采集輸入電壓和輸入電流信號的轉換器、顯示屏、數據通信子系統(tǒng)、非易失存儲器
存儲器是用來存儲程序和數據的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。它根據控制器指定的位置存進和取出信息。
電源及內嵌程序的微控制器。將上述大部分功能電路與微控制器集成在一起。以Maxim的單片電表微控制器MAXQ2000為例，它在單一硅片上集成了雙路16位模/數轉換器(ADC)，分別用于電壓和電流信號的采樣和轉換;兩個全功能異步串行通信口(其中一個可以配置為紅外信號模式);一個液晶顯示控制器和一個獨立的16X16乘法器;芯片上還集成了足夠的數據、程序存儲器，以滿足多費率、多功能電表的復雜要求。圖1為以MAXQ2000微控制器為核心的單相電表基本架構示意圖。
2,1,2 關于電壓輸入轉換
從圖1可知，方案中采用電阻
電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。
分壓網絡將電壓輸入轉換成微控制器內部ADC可接受的-1V到+1V輸入。電流信號輸入端，采用一個并聯電流分流器將電表的電流輸入信號轉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 關于架構中串行通信口
從圖1可知，有2個外部串行通信口與微控制器相連。其一是基于RS-485標準協(xié)議的通信口。在EIA485通信網絡中，用PC作為網絡的主控制器。隨著PC輪詢這些電表，它們會進行響應，將表示所用電量的數據包上傳，PC匯總所有用戶數據之后再傳送至計費中心;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。通過簡單的調制電路將串口輸出數據“o”調制為38kHz信號，數據“1”則不調制。
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
單片機是單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer)的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)采用超大規(guī)模集成電路技術集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統(tǒng)。
將電能計量模塊直接嵌入在MSP430十六位單片機內部，相當于把一個電計量芯片與一個MCU的結合，他使得單相電表的設計進一步簡化，成本也得到進一步的降低。而單芯片ADE7169在單相防竊電電表也具有與MSP430F2012相同和獨特之優(yōu)勢。
該單相防竊電電表方案的防竊電技術是智能化建筑領域中安全控制的重要項目，它具有兩路電流輸入采樣和內部竊電判斷;通過數字增益調節(jié)，兩路電流增益可以保持一致;當檢測到掉零線故障時，可以按照電流有效值計量;具有自動竊電檢測，不需要額外的程序設計。
本文僅對基于微控制器MSP430F2012與ADE7169單芯片技術方案的單相防竊電電表方案進行分折。
3 單相防竊電電表設計方案
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技術的防竊電電表方案
MSP430FE42X不是將電能計量模塊與MSP4301~CPU的簡單結合，它還提供了對內部模塊的控制。如果用在單相電表的設計，可以直接啟動內部電能計量模塊ESP430，如果用于一些其他的需要16位A/D的產品中時，可以禁止ESP430模塊，直接對前置可變增益放大器和A/D轉換器控制。因而，這款單片機在產品設計中有很大的靈活性。圖2為由MSP430FE42X單片機為核心的單相防竊電電表系統(tǒng)設計方案圖。
MSP430FE42X多功能電能表電子模塊有多種板型結構，可直接安裝在單相電度表內。該產品可通過掌上電腦，以無線紅外或有線方式進行參數設置和數據抄收;也可通過表上的四個按鍵進行設置和查詢。此外，還配有RS485接口，可通過RS485進行參數設置和數據抄收。
⑴ 主要功能
包括電量計量，需要量、負荷計量(可選)，費率管理，時間管理，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。
⑵ 主要技術指標
電量計量精度<1%;計時精度,時鐘記時誤差為<±0.5s/d，時段切換誤差為<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。
⑶ 如何防竊電主要是對電流不平衡竊電行為的防竊電技術
通常電流不平衡體現為接地模式，實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載電流不平衡的情況。竊電者可能旁路部分電流導致電表的測量值小于真實值。竊電者可能用簡單的金屬楔打進電表的接線端，這種竊電行為比較容易實施。如果要求讀表，竊電者可以在幾秒內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，必須額外增加一個電流傳感器
凡是利用一定的物性(物理、化學、生物)法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉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(模擬或數字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。
，以實現零線的電流檢測。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內置有三個獨立的16位ADC及電能計量模塊ESP430。ESP430能自動控制三個獨立的16位ADC進行兩個電流通道(火線和零線)及一個電壓通道的采樣，并自動比較兩個電流通道的電流大小，實現電流不平衡時的檢測和防竊電測量。
圖2中ESP430將同時計量經錳銅電阻取樣的火線電流和經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，可以給電能計量模塊ESP430預置一個2電流通道的竊電比例因子Ratio Tamp(比率砸緊)，當電流通道1的電流I1>I2×Ratio Tamp或電流通道2的電流I2>I1×RatioTamp時，ESP430認為2個電流通道電流不平衡，表明有竊電行為發(fā)生。
⑷如何實現對移除主電壓竊電行為時的防竊電測量
移除主電壓竊電行為是斷開一根導線的連接，主電壓為零。竊電者可能會附加二極管
二極管又叫半導體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個方向傳送電流，由p型半導體和n型半導體形成的p-n結構成，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴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量模塊ESP430，可以較容易地實現移除主電壓時的防竊電測量。
在這個方案中，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，所以當移除主電壓時，供電CT從電流上竊取的電源仍能保持電能表工作，進行防竊電測量。3.2 基于ADE7169的防竊電單相表的設計
3.2.1 設計要求
為單相1級,其電壓為~220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200;有LCD顯示;具備RS485及紅外通訊接口;具備防竊電功能,即零/火線調換竊電及掉零竊電;具備事件記錄功能，能夠準確記錄每次竊電事件發(fā)生的具體時間;具備停電顯示功能。
3.2.2 實現技術
實現技術分別為：LCD驅動+MCU;UART+紅外調制;需要同時計量零線和火線電流;需要掉零防竊電功能;電池供電管理;有實時時鐘。
ADE7169單芯片方案見圖4所示。
該單芯片方案集成度高;高可靠性故障率/低故障率/;軟件校表;單芯片采購容易;計量功能豐富，性能高;整體成本低。從中看出ADE7169單芯片防竊電單相表的設計方案比常用方案優(yōu)越得多。因為常用方案多芯片方案集成度低，高故障率/低可靠性，需要硬件校表，而多芯片采購難度大，計量功能單—整體成本高。
ADE7169單芯片方案的核心部分的構建
圖5所示為構建示意圖。
上述單相防竊電電表設計方案，不是傳統(tǒng)的沒有防竊電測量的簡單單相電能表，也不再是僅能測量火線的電流信號和電能表進線端的電壓信號，它具備對各類竊電行為的防竊電技術。不會再象傳統(tǒng)簡單單相電能表那樣，出現即使是非常簡單的竊電行為也是無能為力的現象。
4 拓寬基于單芯片與微控制器技術的防竊電單相表的應用
基于單芯片與微控制器的防竊電單相表具備對用磁場干擾與電流不平衡的竊電行為及對移除主電壓竊電行為等多種防竊電測量技術。本節(jié)僅對用磁場干擾的防竊電技術作說明。
4.1 永久磁場和電磁場干擾是一種竊電行為
眾所用知，永久磁場和電磁場都會影響電表的正常計量。竊電者在電表附近放置強磁磁鐵或大線圈都能于擾電表的正確計量，達到竊電的目的。見圖6中的紅曲線所示。
圖6 在電表附近放置強磁磁鐵或大線圈干擾電表的正確計量以達到竊電目的示意圖
4.2防竊電方案
方法一：因強磁磁鐵靠近表殼將減小功率的測量值，甚至能將功率減小到0。由于磁鐵的影響范圍較小，所以電流互感器在表殼內的位置對抵御磁鐵的干擾相當有幫助。大線圈產生的電磁場會影響電能表中大多數的元器件和核心電子器件等。為了防止磁場干擾，電能表內部元器件的位置及其安裝位置非常重要。應把易受磁場影響的敏感器件盡量放在貼近電能表背面的地方，因為通常竊電者很難從電能表背后干預電表的正確計量;應保持易受磁場影響的敏感器件遠離電能表的頂部和兩邊，因為頂部和兩邊是容易粘附磁鐵的地方。
方法二：磁屏蔽是一種非常有效的防止磁場干擾的方法。首先，可使用金屬外殼的電流互感器，屏蔽磁場對它的影響。其次可以在表殼內襯薄層金屬，以屏蔽整個電能表模塊。但是這種做法將增大原材料、生產及安裝的成本。