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摘 要:為了適應(yīng)電能表高精度、低功耗、智能化的發(fā)展趨勢,將射頻識別技術(shù)應(yīng)用到電子式預(yù)付費電能管理系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jìn)行了可靠性設(shè)計。射頻識別技術(shù)是未來電能表的一種重要的發(fā)展方向。
關(guān)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(tǒng)總體框圖
1.2 工作流程
供電網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流分別采樣后,都轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ秒娔苡嬃啃酒妷骸㈦娏饔嬃客ǖ浪试S的輸入范圍內(nèi)的電壓值,芯片計算兩個輸入電壓的乘積后,再對乘積進(jìn)行低通濾波,獲取有功功率信息,然后將有功功率進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(nèi)PGA增益;F1-4是由芯片主時鐘分頻所得的常數(shù);VREF是片內(nèi)基準(zhǔn)電壓。MCU在內(nèi)部定時器設(shè)定的積分時間內(nèi)對芯片的高頻輸出脈沖計數(shù),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(jiān)控單元和電源電路單元等部分。預(yù)付費單相電能表原理結(jié)構(gòu)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(jī),它具有32 KB FLASH和1 KB RAM,帶有96段LCD驅(qū)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(jī)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(jīng)單片機(jī)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(wǎng)斷電時電能表的正常運行,掉電監(jiān)測單元實時監(jiān)控線性電源網(wǎng)絡(luò)的工作情況。負(fù)荷控制部分采用磁保持繼電器控制負(fù)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(xiàn)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(nèi)部具有掉電保護(hù)、上電自動復(fù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)電壓存在波動和負(fù)載電流可能超載,電能表電壓通道的標(biāo)稱電壓設(shè)在半滿度值;同時,電流通道在最大負(fù)載時也不應(yīng)超過半滿度值,這樣設(shè)置可允許對電流信號和高峰值因數(shù)信號進(jìn)行累計。CF頻率輸出端經(jīng)過外接濾波電路與MCU的IO口連接。ADE7755的無負(fù)載門限和啟動電流特性將消除電能表中的漏電效應(yīng)。ADE7755設(shè)定了一個最小輸出頻率,當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的輸出頻率低于這個規(guī)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(yīng)的F1-4的0.001 4%。電能表的脈沖常數(shù)是1 600 imp/kWh,最大負(fù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)已被制定為國家標(biāo)準(zhǔn)——ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)。由于MSP430總線不外擴(kuò),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(shè)計
整體來講,軟件設(shè)計包括兩大部分,采用模塊化設(shè)計。
4.3 信息安全技術(shù)
采用“一表一卡”、CRC校驗、信息加密技術(shù)等。
4.4 EMC/EMI特性
射頻芯片對周圍的電路會產(chǎn)生一定的電磁干擾。在設(shè)計時需要考慮通過濾波,增加磁珠,優(yōu)化PCB板布局等方法,提高整個系統(tǒng)的EMC/EMI特性。
5 結(jié) 語
射頻識別技術(shù)以其高度的信息集成度及安全性已經(jīng)融入當(dāng)今信息技術(shù)主流。本文設(shè)計的基于RFID的單相預(yù)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(guān)售電管理部門的上位機(jī)軟件通信,簡化了預(yù)付費系統(tǒng)的設(shè)計難度,解決了居民用電傳統(tǒng)管理方式中收費難、催費難的問題,順應(yīng)了國際上電能表的需求方向。運行證明,該電能表讀寫穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳遞可靠,抗干擾能力強(qiáng),管理實時便捷,必將占據(jù)未來電能表的一席之地。
參考文獻(xiàn)
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[2]鐘包.RFID技術(shù)及其發(fā)展前景分析[J].金卡工程,2006,25(6):56-58.
[3]劉洪利.智能型復(fù)費率數(shù)字電能表的設(shè)計[J].上海電力學(xué)院學(xué)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(shè)計[J].工礦自動化,2007,35(4):104-107.
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