|
摘 要:为了适应电能表高精度、低功耗、智能化的发展趋势,将射频识别技术应用到电子式预付费电能管理系统。介绍了系统的结构和工作流程,给出了主要电路模块的原理图,包括电能计量部分、射频接口部分等,并从低功耗和抗干扰等方面进行了可靠性设计。射频识别技术是未来电能表的一种重要的发展方向。
关键词:电能表; 射频识别; ADE7755; 可靠性
OUYANG Hong-zhi, GUAN Jin-yun, LI Ke-sheng, LIU Hua
图1 系统总体框图
1.2 工作流程
供电网络的电压、电流分别采样后,都转变为专用电能计量芯片电压、电流计量通道所允许的输入范围内的电压值,芯片计算两个输入电压的乘积后,再对乘积进行低通滤波,获取有功功率信息,然后将有功功率进一步转换成频率,以高频脉冲信号的形式输出。输出脉冲频率为:
f=K(8.06×V1×V2×G×F1-4)V2REF
(1)
式中:K是由芯片引脚配置确定的倍率;V1,V2分别是电流、电压通道差动输入电压的有效值;G是片内PGA增益;F1-4是由芯片主时钟分频所得的常数;VREF是片内基准电压。MCU在内部定时器设定的积分时间内对芯片的高频输出脉冲计数,平均功率正比于平均频率,用户所耗电能为:
2 硬件电路
2.1 总体原理图
基于RFID的单相电能表的硬件电路包括计量单元、射频接口单元、通信单元、存储单元、时钟单元、显示单元、键盘处理单元、继电器控制单元、CPU监控单元和电源电路单元等部分。预付费单相电能表原理结构框图如图2所示。
微处理器采用TI公司推出的超低功耗16位MSP430F417单片机,它具有32 KB FLASH和1 KB RAM,带有96段LCD驱动器。计量部分用ADI公司的高可靠性专用电能计量芯片ADE7755[4]。射频读写接口芯片选用PHILIPS公司射频识别读写专用芯片MF RC500,射频卡选用低成本可读写的Mafare MF1卡[5]。电能表与上位机的信息交互采用近红外光电通信方式,ADE7755的高频输出脉冲经单片机计算后再输出低频脉冲,由LED显示,直观地反映用户的用电情况。存储部分采用非易失性铁电存储器FM24CL04和E2PROM存储器24C64。实时时钟采用ETC公司的低功耗时钟芯片RTX8593。锂电池用于保证在电网断电时电能表的正常运行,掉电监测单元实时监控线性电源网络的工作情况。负荷控制部分采用磁保持继电器控制负载的通断,为方便用户和工作人员获取电能表信息,电能表采用单个按键实现电表部分信息的查询。
2.2 电能计量电路
电量测量采用ADI公司的ADE7755作为测量芯片,它是一种量程宽、精度高,内部具有掉电保护、上电自动复位电路的电能测量专用集成电路。
电压采样信号通过电阻分压网络后连接到ADE7755取样的电压计量通道,电流采样信号通过锰铜片后送入ADE7755的电流计量通道,考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超载,电能表电压通道的标称电压设在半满度值;同时,电流通道在最大负载时也不应超过半满度值,这样设置可允许对电流信号和高峰值因数信号进行累计。CF频率输出端经过外接滤波电路与MCU的IO口连接。ADE7755的无负载门限和启动电流特性将消除电能表中的漏电效应。ADE7755设定了一个最小输出频率,当负载产生的输出频率低于这个规定的最小输出频率,F1,F2和CF将不会输出任何脉冲,这个最小输出频率是满量程输出频率对应的F1-4的0.001 4%。电能表的脉冲常数是1 600 imp/kWh,最大负载电流是60 A,最合适的F1-4频率为13.6 Hz。2.3 射频接口电路
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智能卡内建有高速的CMOS E2PROM和MCU等, Mifare1射频卡所具有的独特的Mifare RF非接触接口标准已被制定为国家标准——ISO/IEC 14443 TYPE A标准。由于MSP430总线不外扩,所以还要对其模拟总线时序,典型接法如图3所示。其他MCU处理单元、通信接口、LCD显示部分、电源部分等略。
图3 射频接口电路
3 软件设计
整体来讲,软件设计包括两大部分,采用模块化设计。
4.3 信息安全技术
采用“一表一卡”、CRC校验、信息加密技术等。
4.4 EMC/EMI特性
射频芯片对周围的电路会产生一定的电磁干扰。在设计时需要考虑通过滤波,增加磁珠,优化PCB板布局等方法,提高整个系统的EMC/EMI特性。
5 结 语
射频识别技术以其高度的信息集成度及安全性已经融入当今信息技术主流。本文设计的基于RFID的单相预付费电能表不仅具有计量收费功能,还可通过射频卡或者掌上电脑,与相关售电管理部门的上位机软件通信,简化了预付费系统的设计难度,解决了居民用电传统管理方式中收费难、催费难的问题,顺应了国际上电能表的需求方向。运行证明,该电能表读写稳定,数据传递可靠,抗干扰能力强,管理实时便捷,必将占据未来电能表的一席之地。
参考文献
[1]赵兴勇,安广兰.IC卡预付费电能表[J].电力学报,2004,19(1):22-23.
[2]钟包.RFID技术及其发展前景分析[J].金卡工程,2006,25(6):56-58.
[3]刘洪利.智能型复费率数字电能表的设计[J].上海电力学院学报,2005,21(3): 241-243.
[4]杨丽飞,马金元.基于ADE7757的高性能电能表的设计[J].工矿自动化,2007,35(4):104-107.
|
