基於射頻識別技術的智能電能表的設計

　　0 引言

　　感應式電能表以及普通電子式電能表存在諸多缺陷，如功能單一、防竊電效果差、抄表方式落後、IC卡易損壞汙染等、為了適應電能表智能化的趨勢。將射頻識別(RFID)技術應用到電量信息的傳輸、更好地體現RFID免接觸、無源、信息安全等優勢。射頻識別技術是一種非接觸式自動識別技術，是通過射頻信號來白動識別門標對象並獲取相關數據。基本的RFID系統是由電子標答(射頻卡)、閱讀器及應用支撐軟硬體二部分組成。RFTD標籤由晶片和天線組成，何個標籤都具有唯一的電子編碼。根據發送射頻信號的方式不同。標籤又分為主動式和被動式兩種口主動式標籤由內置電池供電主動向讀寫器發送射頻信號。被動式標籤在接收到閱讀器發出的電磁波信號後，將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量從而做出響應。閱讀器負責向標籤發射讀取信號並接受標籤的應答，劉標籤的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標籤上其它相關信息傳輸到主機以供處理。RFID應用支撐軟硬體主要負貴實現與企業=或組織應用相關的功能。

　　1 工作原理

　　電能計星晶片根據電壓、電流輸人信號生產電能量脈衝信號和電流方向信號送給MCU進行處理。MCU對電量脈衝進行累計。計算出電量並存貯，同時根據當前費率對剩餘電蘭進行減法處理，並判斷是否告警或斷電。MCU不斷讀時鐘，並決定當前運行的費率。MCU還監測RS485總線和紅外通訊信號，接收或響應命令，進行串行通訊。另外，電錶還監測繼電器狀態和電池電壓、功率等參數，對非nI:常狀態告警和記錄。

　　基於RFID的一單相電子式電能表的硬體電路包括電能計量單元、射頻接口單兀、通信單兀、存儲單元、時鐘單元、顯示單元、鍵盤處理單元、負荷控制單元、MCU監擰單元和直流電源單元等部分。智能電能表原理框圖如圖1所示。

　　微控制器採用TI公司的超低功耗單片機MSP430F427，它具有16kB FLASH和1kB RAM，自帶有128段LCD驅動器。計量部分用ADI公司的專用電能計量滲片ADE7755 。射頻讀寫接口晶片選用PHILIPS公司讀寫器專用晶片MF RC500，射頻卡選用低成本無源型Mafare MF1卡。存儲部分採用E-PROM存儲器AT24LC16,實時時鐘採用MAXIM公司的帶溫度自動補償的DS3231。鋰電池用於保證在電網斷電時電能表的n1常運行。掉電監測單兀採用MAX705實時監控線性電源網絡的工作情況。負荷控制部分採用上海貝斯特公司的BST-902-(50)A型磁保持繼電器控制負載的通斷。電能表與卜位機的信息交互採用近紅外光電通信和遠程HS485總線方式。電能表採用按鍵實現關鍵信息的杳詢。

圖1 電能表原理框圖

　　2 硬體設計

　　2.1 電能計量部分

　　ADE7755 採用混合電路設計，模擬部分包括2個16 位Σ - Δ 模數轉換器( ADC) 、1 個基準電路; 數字部分又稱為數位訊號處理模塊，包括相位校正器、高通濾波器、乘法器、低通濾波器、數頻轉換器等。混合電路設計結合了模擬電路和數字電路的優勢，高精度16 位Σ - ΔADC 保證了信號的線性度與準確度;而在數字域內進行相位校正、濾波、乘法運算、數頻轉換有利於提高運算結果的穩定性。因此，ADE7755晶片即使長期運行於極端惡劣的環境下，仍具有較高的穩定度和準確度，其準確度超過了IEC61036 標準提出的要求。

　　ADE7755 的計量電路如圖2 所示。電壓通過電阻分壓網絡後連接到ADE7755 取樣的電壓計量通道，電流通過錳銅片後送入ADE7755 的電流計量通道，ADE7755 的線性度為1‰，保證了計量的準確性。CF 頻率輸出端經過外接濾波電路與MCU 的IO 口連接。ADE7755 設定了一個最小輸出頻率，當負載產生的輸出頻率低於這個規定的最小輸出頻率，F1、F2和CF 將不會輸出任何脈衝，這個頻率是滿量程輸出頻率對應的F1-4的0.0014%。電能表的脈衝常數是1600imp/kWh，最大負載電流是40A，最合適的F1-4頻率為13.6Hz，即S0=1，S1=1，SCF=0。

圖2 電能計量電路