Introduction to Utility Metering

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1 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN

2 请 注 意 以 下 有 关 Microchip 器 件 代 码 保 护 功 能 的 要 点 : Microchip 的 产 品 均 达 到 Microchip 数 据 手 册 中 所 述 的 技 术 指 标 Microchip 确 信 : 在 正 常 使 用 的 情 况 下, Microchip 系 列 产 品 是 当 今 市 场 上 同 类 产 品 中 最 安 全 的 产 品 之 一 目 前, 仍 存 在 着 恶 意 甚 至 是 非 法 破 坏 代 码 保 护 功 能 的 行 为 就 我 们 所 知, 所 有 这 些 行 为 都 不 是 以 Microchip 数 据 手 册 中 规 定 的 操 作 规 范 来 使 用 Microchip 产 品 的 这 样 做 的 人 极 可 能 侵 犯 了 知 识 产 权 Microchip 愿 与 那 些 注 重 代 码 完 整 性 的 客 户 合 作 Microchip 或 任 何 其 他 半 导 体 厂 商 均 无 法 保 证 其 代 码 的 安 全 性 代 码 保 护 并 不 意 味 着 我 们 保 证 产 品 是 牢 不 可 破 的 代 码 保 护 功 能 处 于 持 续 发 展 中 Microchip 承 诺 将 不 断 改 进 产 品 的 代 码 保 护 功 能 任 何 试 图 破 坏 Microchip 代 码 保 护 功 能 的 行 为 均 可 视 为 违 反 了 数 字 器 件 千 年 版 权 法 案 (Digital Millennium Copyright Act) 如 果 这 种 行 为 导 致 他 人 在 未 经 授 权 的 情 况 下, 能 访 问 您 的 软 件 或 其 他 受 版 权 保 护 的 成 果, 您 有 权 依 据 该 法 案 提 起 诉 讼, 从 而 制 止 这 种 行 为 提 供 本 文 档 的 中 文 版 本 仅 为 了 便 于 理 解 Microchip Technology Inc. 及 其 分 公 司 和 相 关 公 司 各 级 主 管 与 员 工 及 事 务 代 理 机 构 对 译 文 中 可 能 存 在 的 任 何 差 错 不 承 担 任 何 责 任 建 议 参 考 Microchip Technology Inc. 的 英 文 原 版 文 档 本 出 版 物 中 所 述 的 器 件 应 用 信 息 及 其 他 类 似 内 容 仅 为 您 提 供 便 利, 它 们 可 能 由 更 新 之 信 息 所 替 代 确 保 应 用 符 合 技 术 规 范, 是 您 自 身 应 负 的 责 任 Microchip 对 这 些 信 息 不 作 任 何 明 示 或 暗 示 书 面 或 口 头 法 定 或 其 他 形 式 的 声 明 或 担 保, 包 括 但 不 限 于 针 对 其 使 用 情 况 质 量 性 能 适 销 性 或 特 定 用 途 的 适 用 性 的 声 明 或 担 保 Microchip 对 因 这 些 信 息 及 使 用 这 些 信 息 而 引 起 的 后 果 不 承 担 任 何 责 任 未 经 Microchip 书 面 批 准, 不 得 将 Microchip 的 产 品 用 作 生 命 维 持 系 统 中 的 关 键 组 件 在 Microchip 知 识 产 权 保 护 下, 不 得 暗 中 或 以 其 他 方 式 转 让 任 何 许 可 证 商 标 Microchip 的 名 称 和 徽 标 组 合 Microchip 徽 标 Accuron dspic KEELOQ microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE PowerSmart rfpic 和 SmartShunt 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 注 册 商 标 AmpLab FilterLab Migratable Memory MXDEV MXLAB PICMASTER SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 注 册 商 标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro dspicdem dspicdem.net dspicworks ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Linear Active Thermistor MPASM MPLIB MPLINK MPSIM PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool Real ICE rflab rfpicdem Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 Zena 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 商 标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 服 务 标 记 在 此 提 及 的 所 有 其 他 商 标 均 为 各 持 有 公 司 所 有 2006, Microchip Technology Inc. 版 权 所 有 Microchip 位 于 美 国 亚 利 桑 那 州 Chandler 和 Tempe 及 位 于 加 利 福 尼 亚 州 Mountain View 的 全 球 总 部 设 计 中 心 和 晶 圆 生 产 厂 均 于 2003 年 10 月 通 过 了 ISO/TS-16949:2002 质 量 体 系 认 证 公 司 在 PICmicro 8 位 单 片 机 KEELOQ 跳 码 器 件 串 行 EEPROM 单 片 机 外 设 非 易 失 性 存 储 器 和 模 拟 产 品 方 面 的 质 量 体 系 流 程 均 符 合 ISO/TS :2002 此 外, Microchip 在 开 发 系 统 的 设 计 和 生 产 方 面 的 质 量 体 系 也 已 通 过 了 ISO 9001:2000 认 证 DS39757A_CN 第 ii 页 2006 Microchip Technology Inc.

3 目 录 前 言... 1 第 1 章 电 子 仪 表 的 优 点 1.1 可 靠 性 和 耐 用 性 高 精 度 非 线 性 负 载 和 低 功 率 因 数 ( 电 表 ) 易 于 校 准 防 篡 改 保 护 自 动 读 表 安 全 性 先 进 的 付 费 方 式 分 时 付 费 预 付 费... 5 第 2 章 仪 表 类 型 2.1 气 表 和 水 表 热 表 电 表... 7 第 3 章 仪 表 的 功 能 部 件 3.1 计 时 传 感 器 气 表 和 水 表 传 感 器 热 表 传 感 器 电 表 传 感 器 显 示 部 件 LED LCD 通 信 有 线 通 信 无 线 技 术 低 功 耗 部 件 交 流 稳 压 电 源 供 电 的 仪 表 不 稳 定 直 流 电 源 供 电 的 仪 表 校 准 气 表 和 水 表 校 准 热 表 校 准 电 表 校 准 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 iii 页

4 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 4.1 气 表 水 表 热 表 电 表 资 源 网 络 课 程 第 5 章 规 范 5.1 水 表 热 表 电 表 索 引...41 全 球 销 售 及 服 务 网 点...42 DS39757A_CN 第 iv 页 2006 Microchip Technology Inc.

5 前 言 客 户 须 知 所 有 文 档 均 会 过 时, 本 文 档 也 不 例 外 Microchip 的 工 具 和 文 档 将 不 断 演 变 以 满 足 客 户 的 需 求, 因 此 实 际 使 用 中 有 些 对 话 框 和 / 或 工 具 说 明 可 能 与 本 文 档 所 述 之 内 容 有 所 不 同 请 访 问 我 们 的 网 站 (www.microchip.com) 获 取 最 新 文 档 文 档 均 标 记 有 DS 编 号 该 编 号 出 现 在 每 页 底 部 的 页 码 之 前 DS 编 号 的 命 名 约 定 为 DSXXXXXA, 其 中 XXXXX 为 文 档 编 号, A 为 文 档 版 本 欲 了 解 开 发 工 具 的 最 新 信 息, 请 参 考 MPLAB IDE 在 线 帮 助 从 Help ( 帮 助 ) 菜 单 选 择 Topics ( 主 题 ), 打 开 现 有 在 线 帮 助 文 件 列 表 简 介 文 档 编 排 本 章 包 含 使 用 公 用 仪 表 基 础 教 程 前 需 了 解 的 一 般 信 息 内 容 包 括 : 文 档 编 排 Microchip 网 站 客 户 支 持 文 档 版 本 历 史 本 文 档 对 公 用 仪 表 进 行 了 简 单 介 绍 第 1 章 电 子 仪 表 的 优 点 第 2 章 仪 表 类 型 第 3 章 仪 表 的 功 能 部 件 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 第 5 章 规 范 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 1 页

6 MICROCHIP 网 站 Microchip 网 站 (www.microchip.com) 为 客 户 提 供 在 线 支 持 客 户 可 通 过 该 网 站 方 便 地 获 取 文 件 和 信 息 只 要 使 用 常 用 的 因 特 网 浏 览 器 即 可 访 问 网 站 提 供 以 下 信 息 : 产 品 支 持 数 据 手 册 和 勘 误 表 应 用 笔 记 和 样 本 程 序 设 计 资 源 用 户 指 南 和 硬 件 支 持 文 档 最 新 的 软 件 版 本 以 及 存 档 软 件 一 般 技 术 支 持 常 见 问 题 (Frequently Asked Question, FAQ) 技 术 支 持 请 求 在 线 讨 论 组 以 及 Microchip 顾 问 计 划 成 员 名 单 Microchip 业 务 产 品 选 型 和 订 购 指 南 最 新 Microchip 新 闻 稿 研 讨 会 和 活 动 安 排 表 Microchip 销 售 办 事 处 代 理 商 以 及 工 厂 代 表 列 表 客 户 支 持 Microchip 产 品 的 用 户 可 通 过 以 下 渠 道 获 取 帮 助 : 代 理 商 或 代 表 当 地 销 售 办 事 处 应 用 工 程 师 (Field Application Engineer, FAE) 技 术 支 持 开 发 系 统 信 息 热 线 客 户 应 联 系 代 理 商 代 表 或 应 用 工 程 师 (FAE) 寻 求 支 持 当 地 销 售 办 事 处 也 可 为 客 户 提 供 帮 助 本 文 档 后 附 有 销 售 办 事 处 的 联 系 方 式 也 可 通 过 获 取 网 上 技 术 支 持 文 档 版 本 历 史 版 本 A (2005 年 11 月 ) 本 文 档 的 第 一 版 DS39757A_CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc.

7 第 1 章 电 子 仪 表 的 优 点 公 用 仪 表 基 础 教 程 1.1 可 靠 性 和 耐 用 性 与 目 前 仍 在 使 用 的 传 统 机 械 式 和 / 或 机 电 式 仪 表 相 比, 电 子 仪 表 具 有 更 多 的 优 势, 从 而 可 被 广 泛 应 用 于 公 共 事 业 市 场 这 些 优 点 包 括 : 更 高 的 可 靠 性 和 耐 用 性 更 高 的 精 度 支 持 非 线 性 和 低 功 率 因 数 负 载 易 于 校 准 防 篡 改 保 护 自 动 读 表 更 高 的 安 全 性 先 进 的 付 费 方 式 ( 分 时 付 费 和 预 付 费 等 ) 无 论 测 量 的 是 燃 气 水 热 能 还 是 电 能, 都 将 用 到 上 述 部 分 或 全 部 的 特 性, 这 些 特 性 使 得 电 子 仪 表 成 为 新 兴 ( 迅 速 扩 展 的 ) 市 场 和 现 有 ( 已 存 在 的 ) 市 场 的 首 选 解 决 方 案 实 现 电 子 仪 表 并 非 一 件 复 杂 费 力 的 事 情 本 文 档 将 指 导 您 使 用 Microchip Technology Inc. 提 供 的 许 多 技 术 选 项 和 解 决 方 案 例 如, 只 需 选 用 一 块 专 用 的 电 能 计 量 IC (MCP3905) 和 一 个 显 示 / 计 数 器 即 可 方 便 廉 价 地 实 现 电 表 当 采 用 8 或 16 位 单 片 机 (MCU) 甚 至 16 位 数 字 信 号 控 制 器 (Digital Signal Controller, DSC) 时, 还 可 以 获 得 更 高 级 的 解 决 方 案 在 以 下 各 节 中, 我 们 将 详 细 说 明 上 面 列 出 的 各 项 优 点 不 需 要 移 动 部 件 是 电 子 解 决 方 案 ( 也 称 为 固 态 解 决 方 案 ) 的 一 个 显 著 优 点, 因 此, 电 子 仪 表 能 够 承 受 更 高 强 度 的 机 械 应 力, 它 可 以 被 置 于 户 外, 处 于 气 候 条 件 和 温 度 随 季 节 变 化 的 露 天 自 然 环 境 中 取 决 于 纬 度 的 不 同, 这 些 自 然 条 件 甚 至 可 能 达 到 极 限 值 虽 然 电 子 元 件 对 温 度 变 化 很 敏 感, 但 是 这 些 变 化 量 可 以 被 很 容 易 地 估 算 并 予 以 补 偿 总 之, 现 代 电 子 元 器 件 典 型 的 高 度 集 成 性 ( 精 简 的 元 件 数 ) 和 小 型 封 装 使 得 电 子 解 决 方 案 与 机 械 / 机 电 式 解 决 方 案 相 比, 体 积 更 小 更 可 靠 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 3 页

8 1.2 高 精 度 仪 表 是 按 测 量 精 度 分 类 的 例 如, 通 常 机 械 式 电 表 的 精 度 在 2% 左 右 与 之 相 比, 一 般 的 电 子 仪 表 精 度 达 到 0.8%, 而 有 些 电 子 仪 表 提 供 的 精 度 规 格 达 到 0.5% 甚 至 0.2%, 符 合 更 严 格 的 美 国 国 家 标 准 (American National Standard, ANSI) C 规 范 基 于 MCU 或 DSC 的 电 表 的 精 度 可 以 由 软 件 参 数 指 定, 安 装 时 可 以 根 据 应 用 的 需 求 方 便 地 修 改 这 些 参 数, 同 时 保 持 硬 件 平 台 不 变 由 于 同 一 种 产 品 可 以 部 署 在 不 同 的 区 域 并 且 可 以 方 便 地 进 行 现 场 更 新, 所 以 公 用 事 业 公 司 和 仪 表 制 造 商 可 以 进 行 流 水 生 产, 并 通 过 扩 大 规 模 而 提 高 收 益 1.3 非 线 性 负 载 和 低 功 率 因 数 ( 电 表 ) 大 多 数 机 电 式 电 表 的 设 计 基 于 这 样 一 个 简 单 的 假 设, 即 它 们 的 负 载 ( 用 户 应 用 ) 是 阻 性 的 负 载 ( 电 灯 和 取 暖 设 备 等 ), 但 是 现 在 看 来 该 假 设 越 来 越 不 能 成 立 无 功 负 载 ( 电 机 消 耗 的 电 能 可 达 电 能 使 用 总 量 的 40%) 和 非 线 性 负 载 比 例 的 不 断 增 加 给 供 电 方 带 来 了 负 担 传 统 仪 表 已 不 能 充 分 地 测 量 低 功 率 因 数 系 统 的 能 耗, 而 电 子 仪 表 可 以 方 便 地 指 示 有 功 / 无 功 功 率 和 功 率 因 数 的 瞬 时 值, 该 数 据 可 以 用 于 提 醒 用 户 并 为 考 虑 功 率 因 数 的 收 费 系 统 提 供 基 础 数 据 1.4 易 于 校 准 正 如 上 面 提 到 的 那 样, 电 子 解 决 方 案 可 以 方 便 地 补 偿 温 度 变 化, 当 然 同 时 还 需 要 考 虑 机 械 / 物 理 变 化 电 子 仪 表 可 以 使 用 几 种 技 术 来 提 供 非 易 失 性 存 储 器 (EPROM EEPROM 和 闪 存 等 ) 以 存 储 修 正 / 校 准 参 数 可 以 定 期 复 查 和 更 新 ( 现 场 ) 这 些 参 数, 以 确 保 仪 表 精 度 始 终 符 合 要 求 1.5 防 篡 改 保 护 电 子 仪 表 可 以 使 用 多 种 简 便 方 法 来 检 测 篡 改 和 偷 窃 事 件 尤 其 对 于 电 表, 可 以 检 测 到 很 多 典 型 状 况 例 如 : 不 对 称 负 载 ( 通 过 接 地 闭 合 回 路 来 逃 避 计 量 ) 临 时 断 开 ( 或 绕 过 ) 仪 表 使 用 永 磁 体 使 电 流 互 感 器 饱 和 或 计 数 器 停 止 计 数 蓄 意 破 坏 行 为 当 检 测 到 这 些 行 为 时, 在 有 些 情 况 下, 电 子 仪 表 会 采 取 特 定 的 措 施 或 简 单 地 给 出 一 个 警 告 标 志, 若 仪 表 与 读 表 网 络 ( 见 第 1.6 节 自 动 读 表 ) 相 连, 会 立 即 向 公 用 事 业 公 司 发 送 警 报 DS39757A_CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc.

9 1.6 自 动 读 表 电 子 仪 表 的 优 点 由 于 不 需 要 在 每 次 付 费 时 进 行 人 工 抄 表, 自 动 读 表 可 以 为 公 用 事 业 公 司 节 省 大 量 成 本 人 工 抄 表 是 劳 动 密 集 型 的 工 作, 容 易 发 生 ( 人 为 ) 错 误 并 且 由 于 仪 表 位 于 用 户 的 住 所 内 会 给 用 户 带 来 不 便 当 前 使 用 几 种 技 术 来 对 电 子 仪 表 进 行 自 动 读 表 或 者 对 现 有 机 械 / 机 电 式 仪 表 进 行 翻 新 改 造 通 过 下 列 机 制 可 以 自 动 读 取 电 子 仪 表 并 与 其 进 行 通 信 : 红 外 线 通 过 位 于 仪 表 表 盘 上 的 短 距 离 红 外 线 LED 射 频 (Radio Frequency, RF) 短 距 离 和 长 距 离 数 据 调 制 解 调 器 通 过 电 话 线 传 输 线 载 波 (Power Line Carrier, PLC) 短 距 离 到 中 距 离 串 行 端 口 (RS-485) 宽 带 自 动 读 表 的 优 势 通 过 与 手 持 式 设 备 ( 通 过 红 外 线 或 RF, 可 以 相 隔 数 百 英 尺 ) 通 信 就 可 体 现 出 来 虽 然 这 样 做 并 不 能 免 除 操 作 人 员 访 问 每 个 地 点, 但 是 能 保 证 读 数 正 确 并 大 大 加 快 了 读 取 速 度 再 例 如, 在 一 个 多 住 户 的 大 楼 内, 多 个 仪 表 可 以 被 连 接 到 一 个 RS-485 网 络, 通 过 一 个 节 点 进 行 读 取, 同 样 可 以 提 高 速 度 和 精 度 1.7 安 全 性 随 着 测 量 自 动 化 程 度 的 提 高, 对 通 信 技 术 的 安 全 需 求 也 相 应 增 加 了, 因 此 公 用 事 业 公 司 采 集 数 据 的 隐 私 性 和 完 整 性 就 显 得 非 常 重 要 Microchip 的 解 决 方 案 包 括 高 级 的 加 密 算 法, 比 如 用 于 进 行 数 据 加 密 的 三 重 DES 和 AES ( 最 高 可 达 到 256 位 密 钥 ), 以 及 用 于 进 行 用 户 身 份 验 证 和 访 问 控 制 的 低 成 本 专 有 解 决 方 案 (KEELOQ 安 全 IC) 1.8 先 进 的 付 费 方 式 通 过 使 用 电 子 仪 表 可 以 实 现 两 种 全 新 的 付 费 技 术 : 分 时 付 费 和 预 付 费 分 时 付 费 分 时 付 费 是 指 在 每 天 的 不 同 时 段 或 每 周 的 某 些 天 对 同 一 种 公 用 资 源 ( 例 如, 电 能 ) 收 取 不 同 的 费 用 此 技 术 使 公 用 事 业 公 司 可 以 调 节 需 求 从 而 优 化 全 天 对 能 源 的 使 用 通 过 在 高 峰 时 段 ( 或 每 周 的 某 些 天 ) 收 取 更 高 的 使 用 费, 鼓 励 用 户 合 理 高 效 地 使 用 资 源 电 子 仪 表 可 以 集 成 廉 价 的 实 时 时 钟 (Real-Time Clock, RTC) 和 日 历 (RTCC) 电 路 来 实 时 跟 踪 公 用 资 源 的 使 用 情 况 预 付 费 预 付 费 技 术 旨 在 使 公 用 事 业 公 司 降 低 收 费 的 财 务 成 本 该 技 术 允 许 用 户 提 前 购 买 有 限 数 量 的 服 务 并 接 收 赊 购, 通 常 通 过 智 能 卡 或 磁 卡 付 费 在 这 种 情 况 下, 仪 表 都 附 带 了 读 卡 器, 充 当 控 制 是 否 提 供 服 务 ( 燃 气 水 热 能 或 电 能 ) 的 关 卡 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 5 页

10 注 : DS39757A_CN 第 6 页 2006 Microchip Technology Inc.

11 2.1 气 表 和 水 表 第 2 章 仪 表 类 型 气 表 和 水 表 使 用 的 是 正 向 位 移 式 流 量 计 这 意 味 着 它 们 需 要 测 量 有 多 少 单 位 体 积 的 流 体 流 过 仪 表 每 流 过 一 个 单 位 体 积 的 流 体, 转 轴 或 磁 体 旋 转 一 周 旋 转 的 圈 数 可 被 转 换 为 电 脉 冲 序 列, 并 由 单 片 机 进 行 计 数 由 于 两 种 工 作 流 体 在 压 力 和 黏 度 方 面 有 所 差 异, 气 表 和 水 表 在 机 械 设 计 方 面 也 有 所 不 同 通 常, 家 用 气 表 比 家 用 水 表 体 积 要 大 很 多 单 片 机 的 任 何 一 个 数 字 输 入 引 脚 都 可 以 实 现 脉 冲 计 数, 但 是 最 好 将 脉 冲 输 入 信 号 连 接 到 中 断 引 脚 或 定 时 器 / 计 数 器 引 脚, 这 样 可 以 尽 可 能 多 地 使 用 休 眠 模 式 来 把 功 耗 降 至 最 低 低 功 耗 是 气 表 和 水 表 设 计 时 应 主 要 考 虑 的 指 标, 因 为 这 些 仪 表 所 处 的 位 置 通 常 没 有 本 地 电 源 2.2 热 表 2.3 电 表 热 能 是 按 照 输 送 给 用 户 的 英 国 热 量 单 位 (British Thermal Unit, BTU) 或 千 瓦 时 (kwh) 数 计 费 的 这 可 以 通 过 测 量 流 经 散 热 器 的 热 水 流 量 和 流 进 流 出 时 的 水 温 计 算 出 来 上 面 已 经 讨 论 过 水 流 量 的 测 量 方 法 在 此 讨 论 的 是 温 度 传 感 温 度 传 感 可 通 过 多 种 方 法 实 现 通 常 需 要 在 界 面 简 洁 性 线 性 度 和 工 作 范 围 之 间 作 出 权 衡 最 常 用 于 热 量 计 量 的 传 感 器 是 电 阻 温 度 检 测 器 (Resistance Temperature Detector,RTD) 温 度 传 感 器 对 通 常 使 用 RTD, 因 为 它 们 易 匹 配, 精 度 高, 测 量 精 度 可 达 0.1 度 这 些 器 件 相 对 便 宜, 但 是 必 须 针 对 所 使 用 的 量 程 范 围 对 它 们 进 行 线 性 化 处 理 线 性 化 可 以 轻 松 地 由 运 行 在 单 片 机 上 的 软 件 来 完 成 一 旦 收 集 了 温 度 和 流 量 数 据 之 后, 经 过 数 学 运 算 就 可 以 计 算 出 所 使 用 的 辐 射 热 量 传 统 电 表 测 量 用 户 消 耗 的 千 瓦 时 数 为 了 鼓 励 更 高 效 地 使 用 电 能, 公 用 事 业 公 司 还 希 望 测 量 负 载 的 功 率 因 数 和 用 电 时 间 等 机 械 式 仪 表 擅 长 测 量 线 性 负 载 ; 然 而, 现 在 很 多 负 载 都 不 是 线 性 的 比 如, 调 光 器 冰 箱 洗 衣 机 干 衣 机 和 HVAC ( 暖 通 空 调 ) 等 对 电 表 来 说 都 是 非 线 性 的 负 载 能 够 测 量 电 能 的 电 子 仪 表 一 定 要 用 到 电 流 传 感 器 和 电 压 传 感 器 确 定 功 率 因 数 则 需 要 更 复 杂 的 测 量 手 段, 但 基 本 上 也 使 用 这 两 种 传 感 器 传 感 器 的 数 量 必 须 与 系 统 中 电 相 位 的 数 量 一 致 这 些 传 感 器 和 支 持 电 路 已 被 集 成 到 专 用 IC 中, 使 用 这 些 IC 可 以 轻 松 实 现 电 表 设 计 并 能 精 确 测 量 非 线 性 参 数 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 7 页

12 注 : DS39757A_CN 第 8 页 2006 Microchip Technology Inc.

13 第 3 章 仪 表 的 功 能 部 件 公 用 仪 表 基 础 教 程 3.1 计 时 公 共 事 业 公 司 和 用 户 首 先 必 须 具 有 一 个 公 正 的 系 统, 而 计 时 精 确 应 该 是 其 中 的 首 要 因 素 例 如, 当 今 所 使 用 的 电 表 是 分 别 依 据 不 同 的 规 范 和 要 求 而 设 计 的 其 中 一 类 电 表 要 求 能 记 录 多 级 费 率 的 电 量 ( 跟 踪 消 耗 的 电 量 及 消 耗 的 时 间 ), 以 便 电 力 公 司 能 正 确 计 费 多 级 费 率 电 表 必 须 将 这 种 费 率 的 切 换 时 间 精 确 地 记 录 下 来 从 另 一 个 角 度 考 虑, 跟 踪 所 消 耗 的 电 量 可 以 确 定 最 佳 的 节 能 方 法 跟 踪 某 段 时 间 内 的 电 量 消 耗 可 以 确 定 高 耗 电 时 段 因 此 需 要 在 电 子 仪 表 中 采 用 某 种 形 式 的 计 时 部 件 Microchip 提 供 大 量 低 功 耗 的 支 持 硬 件 和 软 件 实 时 时 钟 (RTC) 的 8 位 和 16 位 单 片 机 (MCU) 只 要 将 常 规 的 32,768 Hz 晶 振 连 接 到 器 件, 这 些 软 硬 件 就 可 以 为 分 时 计 费 仪 表 实 现 RTC 在 需 要 时 可 远 程 定 期 更 新 / 同 步 时 钟 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 中 表 4.5 列 出 了 一 些 参 考 资 料, 给 出 了 Microchip 单 片 机 实 时 时 钟 的 实 现 方 法 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 9 页

14 3.2 传 感 器 气 表 和 水 表 传 感 器 气 表 和 水 表 测 量 流 经 管 道 的 流 体 体 积, 它 们 通 常 采 用 称 为 旋 转 活 塞 式 容 积 计 量 原 理 的 机 械 方 法, 使 用 这 种 方 法, 流 经 仪 表 的 气 体 或 水 推 动 圆 形 活 塞 ( 或 称 阻 流 板 ) 围 绕 计 量 室 旋 转 ( 非 精 确 圆 周 运 动 ), 每 旋 转 一 周 代 表 一 定 的 流 量 计 量 室 转 动 带 动 转 轴 旋 转, 旋 转 位 移 可 由 机 械 表 盘 计 量, 或 转 换 为 电 子 脉 冲, 由 电 子 控 制 器 计 量 图 3-1 给 出 了 典 型 水 表 的 机 械 构 造 图 3-1: 水 表 密 封 区 域 磁 性 联 结 器 流 体 方 向 滤 网 热 表 传 感 器 热 表 直 接 安 装 在 管 道 系 统 中, 可 以 直 接 对 热 量 进 行 物 理 测 量 通 过 热 介 质 供 返 温 度 差 和 流 速 计 算 消 耗 的 热 量, 以 BTU 或 kwh 表 示 系 统 需 要 两 种 传 感 器 : 能 指 示 温 度 细 微 差 别 的 一 对 温 度 传 感 器, 和 能 测 量 管 道 内 水 流 的 流 速 传 感 器 由 于 电 阻 温 度 检 测 器 (RTD) 易 匹 配 并 且 精 度 高, 它 们 通 常 用 在 温 度 传 感 器 对 中, 测 量 精 度 可 达 0.1 度 电 表 传 感 器 大 多 数 电 表 测 量 电 流 ( 安 培 ) 和 电 压 ( 伏 特 ), 计 算 两 者 的 乘 积 得 出 功 率 ( 瓦 特 ) 功 率 对 时 间 求 积 分 就 是 所 使 用 的 电 能 ( 通 常 用 瓦 特 时 或 焦 耳 表 示 ) 通 常 有 两 种 测 量 电 线 中 电 流 的 方 法 第 一 种 方 法 使 用 分 流 电 阻 直 接 测 量 电 流 ; 第 二 种 方 法 使 用 隔 离 变 压 器 间 接 测 量 次 级 绕 组 的 电 流 DS39757A_CN 第 10 页 2006 Microchip Technology Inc.

15 仪 表 的 功 能 部 件 直 接 连 接 和 变 压 器 模 拟 电 路 前 端 设 计 中 需 要 决 定 是 选 择 直 接 测 量 电 流 或 电 压, 还 是 通 过 变 压 器 测 量 低 成 本 仪 表 会 使 用 直 接 连 接 进 行 测 量 的 方 法, 它 以 牺 牲 性 能 为 代 价 而 降 低 了 成 本 直 接 连 接 式 电 表 与 传 输 线 路 直 接 相 连, 一 般 是 在 电 流 输 入 通 道 上 安 装 电 流 检 测 分 流 电 阻 和 / 或 在 电 压 输 入 通 道 上 安 装 电 阻 分 压 器 图 3-2 给 出 了 在 电 流 和 电 压 输 入 通 道 上 直 接 连 接 电 表 的 方 案 此 类 电 表 具 有 一 个 热 地, 所 有 交 流 信 号 都 是 以 热 地 为 基 准 测 量 的 MCP3905 器 件 允 许 输 入 低 于 热 地 1V 的 负 电 压 信 号 图 3-2: 直 接 连 接 电 表 方 案 电 表 到 供 电 端 或 VDD 发 生 器 负 载 到 分 压 器, 然 后 到 电 压 测 量 模 块 ( 和 校 准 网 络 ) 分 流 电 阻 到 电 流 测 量 模 块 到 电 流 测 量 模 块 到 PCB 接 地 层 N L 110/220V 电 流 检 测 分 流 器 是 一 小 片 带 有 许 多 安 装 孔 和 接 线 端 的 金 属, 一 般 由 锰 和 铜 制 成 它 其 实 是 一 个 简 单 的 电 阻, 其 两 端 的 压 降 与 流 过 的 电 流 成 正 比 分 流 电 阻 阻 值 通 常 为 100 µω 到 500 mω, 因 受 到 自 身 发 热 的 限 制, 无 法 用 在 电 流 很 大 (IMAX > 100A) 的 电 表 设 计 中 对 于 功 率 消 耗 通 常 在 2W 左 右 的 单 相 民 用 电 表 来 说, 如 果 使 用 电 流 检 测 分 流 器, 则 要 求 电 阻 系 数 必 须 极 低, 以 满 足 功 耗 要 求 例 如, 使 用 最 大 电 流 为 80A 的 电 表, 250 µω 的 电 阻 消 耗 的 功 率 为 I 2 *R, 即 80 2 * 250e-6 = 1.6W 只 剩 下 400 mw 供 电 表 的 其 他 耗 电 部 件 ( 单 片 机 和 LCD 等 ) 使 用 同 电 流 互 感 器 (Current Transformer, CT) 相 比, 分 流 器 用 在 电 表 设 计 中 所 带 来 的 功 率 消 耗 就 太 大 了 虽 然 低 阻 值 分 流 器 (< 250 µω) 功 率 消 耗 较 低, 但 由 其 供 给 ADC 的 VRMS 信 号 在 使 用 低 分 辨 率 的 ADC 时 却 很 难 测 量, 此 外 还 需 特 别 补 偿 或 校 准 感 抗 和 阻 抗 图 3-3: 电 流 检 测 分 流 器 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 11 页

16 设 计 电 表 时 还 可 以 选 择 电 流 互 感 器 (CT) 进 行 电 流 检 测 电 流 互 感 器 通 过 电 流 转 换, 将 初 级 线 圈 与 次 级 线 圈 隔 离 与 分 流 器 相 比, CT 能 承 受 更 大 电 流, 而 且 其 消 耗 的 功 率 更 低 当 电 流 很 低 且 功 率 因 数 很 高 时, CT 的 非 线 性 相 位 响 应 会 引 起 功 率 或 电 能 测 量 误 差 表 3-1: 分 流 器 和 电 流 互 感 器 之 间 的 比 较 优 点 分 流 器 电 流 互 感 器 电 表 价 格 电 表 能 承 受 更 大 电 流 ( 大 于 100A) 电 表 功 耗 较 少 影 响 精 度 的 因 素 ( 饱 和 高 功 率 因 数 下 的 相 位 响 应 ) X X X X DS39757A_CN 第 12 页 2006 Microchip Technology Inc.

17 仪 表 的 功 能 部 件 3.3 显 示 部 件 仪 表 最 常 用 的 显 示 部 件 是 液 晶 显 示 器 (Liquid Crystal Display, LCD) 和 发 光 二 极 管 (Light Emitting Diode, LED), 因 为 它 们 价 格 便 宜 且 功 耗 很 低 两 种 显 示 部 件 都 有 七 段 数 码 管 米 字 管 和 矩 阵 管 3 种 类 型 ( 见 图 3-4) 后 面 的 章 节 将 简 要 讨 论 这 些 显 示 部 件, 并 介 绍 能 与 这 些 部 件 进 行 接 口 的 PICmicro 单 片 机 图 3-4: 通 用 LED 和 LCD 显 示 器 七 段 数 码 管 米 字 管 矩 阵 管 LED LED 是 一 种 相 对 高 效 的 光 源, 当 直 接 极 化 时 ( 用 较 低 的 电 压 : V), 只 需 几 毫 安 电 流 就 可 以 产 生 强 光 PICmicro 单 片 机 具 有 非 常 强 大 的 I/O 引 脚 驱 动 能 力, 当 配 置 为 输 出 时, 能 产 生 25 ma 的 拉 电 流 ( 驱 动 为 高 电 平 ) / 灌 电 流 ( 驱 动 为 低 电 平 ) 这 样, PICmicro 器 件 可 以 直 接 驱 动 大 多 数 廉 价 且 广 泛 使 用 的 LED, 从 而 能 有 效 地 控 制 LED 显 示 器 的 工 作 因 为 PICmicro 单 片 机 是 CMOS 器 件, 所 以 能 成 对 和 成 组 使 用 I/O 引 脚 来 产 生 和 控 制 更 高 的 电 流, 最 高 可 达 每 端 口 100 ma 和 每 器 件 200 ma 这 是 适 用 于 大 多 数 PICmicro 器 件 的 典 型 值 ( 具 体 数 值 请 参 见 特 定 器 件 数 据 手 册 ) 每 个 I/O 引 脚 也 可 以 被 配 置 为 输 入 引 脚, 当 作 为 输 入 引 脚 时, 呈 现 高 阻 态 ( 阻 值 通 常 在 几 兆 欧 范 围 内 ) 技 术 文 档 Complementary LED Drive ( TB029) 给 出 了 一 个 体 现 I/O 驱 动 器 灵 活 性 的 有 趣 应 用, 它 讨 论 了 如 何 使 用 最 少 的 I/O 引 脚 驱 动 多 个 LED 的 方 法 要 减 少 所 使 用 的 I/O 引 脚 数, 矩 阵 中 的 LED 必 须 采 用 复 用 的 方 式 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 13 页

18 图 3-5: 使 用 4 个 引 脚 连 接 12 个 LED 的 连 接 示 例 引 脚 0 引 脚 引 脚 引 脚 TB029 中 介 绍 的 互 补 驱 动 LED 的 方 法 说 明 了 如 何 使 用 较 少 的 I/O 口 来 驱 动 尽 可 能 多 的 LED 应 用 笔 记 Hardware Techniques for PICmicro Microcontrollers ( AN234) 介 绍 了 驱 动 多 个 LED 的 不 同 方 法 应 用 笔 记 Multiplexing LED Drive and a 4x4 Keypad Sampling (AN529) 说 明 了 在 直 接 驱 动 4 个 七 段 数 码 管 LED 的 同 时, 采 样 4x4 键 盘 矩 阵 的 方 法 请 参 见 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 中 的 表 4-5 获 得 上 述 及 其 他 一 些 资 料 LCD LCD 显 示 器 由 两 层 电 极 材 料 组 成, 中 间 夹 入 液 晶 对 液 晶 施 加 电 压 导 致 液 晶 分 子 的 排 列 发 生 变 化, 从 而 使 入 射 光 线 不 能 透 过 它 们 每 个 液 晶 分 子 如 同 百 叶 窗 一 样 允 许 或 阻 止 光 线 通 过 跟 LED 相 似, 每 个 LCD 段 能 代 表 数 码 管 中 的 一 段 矩 阵 中 的 一 个 像 素 或 自 定 义 的 一 个 完 整 图 标 LCD 显 示 器 类 型 由 于 液 晶 独 有 的 化 学 属 性, 需 要 定 期 更 改 施 加 在 每 段 上 电 压 的 极 性 直 流 分 量 会 损 坏 液 晶, 并 导 致 整 个 LCD 很 快 不 能 使 用 上 面 所 述 的 LED 复 用 方 案 不 能 应 用 于 LCD 显 示 器, 必 须 采 用 更 加 复 杂 的 技 术 来 确 保 LCD 的 寿 命 和 高 对 比 度 由 于 上 述 原 因, 一 般 采 用 专 用 LCD 控 制 器 和 / 或 单 片 机 外 设, 来 支 持 LCD 的 多 种 复 用 方 案 ( 背 景 灯 连 接 数 不 同 ) 和 不 同 的 段 数 表 3-2 显 示 了 PICmicro 器 件 支 持 的 LCD 复 用 方 案 的 示 例 表 3-2: 复 用 公 共 端 LCD 段 矩 阵 最 大 段 数 PIC16F913/916 PIC16F914/917 PIC16F946 PIC18F6X90 PIC18F8X90 偏 置 静 态 (COM0) 静 态 1/2 (COM1:COM0) /2 或 1/3 1/3 (COM2:COM0) /2 或 1/3 1/4 (COM3:COM0) /3 DS39757A_CN 第 14 页 2006 Microchip Technology Inc.

19 仪 表 的 功 能 部 件 对 于 较 大 的 显 示 器 ( 总 共 段 或 更 多 ), 通 常 需 要 使 用 整 个 显 示 模 块 ( 数 字 字 母 或 图 形 ), 其 中 由 板 上 ( 或 玻 璃 基 板 ) 专 用 电 路 实 现 段 驱 动 功 能, 并 且 通 过 采 用 标 准 通 信 协 议 的 并 行 或 串 行 端 口 与 嵌 入 式 控 制 器 相 连 请 参 见 应 用 笔 记 Interfacing PICmicro MCUs to an LCD Module (AN587), 获 取 PICmicro MCU 与 LCD 模 块 接 口 设 计 的 有 关 信 息 最 大 显 示 面 板 (128 x 128 段, 大 多 数 QVGA VGA 和 更 高 ) 不 仅 采 用 了 一 个 或 多 个 板 上 控 制 器, 还 采 用 了 串 行 协 议 接 口, 可 以 连 续 刷 新 每 行 像 素, 如 同 电 视 信 号 一 样 仪 表 应 用 中 一 般 不 会 采 用 如 此 复 杂 而 昂 贵 的 器 件, 在 下 面 的 章 节 中, 我 们 将 重 点 讲 述 前 两 种 LCD 显 示 器 MICROCHIP LCD 解 决 方 案 带 有 片 上 LCD 驱 动 器 的 Microchip PICmicro 器 件 主 要 有 以 下 两 个 系 列 : 用 于 低 成 本 和 小 到 中 型 显 示 器 的 PIC16F913/914/916/917/946 用 于 较 大 显 示 器 和 较 高 性 能 应 用 的 PIC18F6390/6490/8390/8490 两 者 都 基 于 闪 存 技 术, 提 供 纳 瓦 功 耗 管 理 功 能 但 它 们 在 其 他 外 设 的 数 量 复 杂 度 以 及 性 能 方 面 存 在 很 大 区 别, 如 表 3-3 所 示 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 15 页

20 表 3-3: 器 件 LCD PIC 单 片 机 闪 存 程 序 存 储 器 ( 字 节 ) EEPROM 数 据 存 储 器 ( 字 节 ) 数 据 RAM ( 字 节 ) 集 成 LCD 模 块 的 PIC 单 片 机 产 品 规 范 I/O 模 拟 (10 位 ) 比 较 器 串 行 USART/ I 2 C / SPI PIC16F I 2 C/SPI AUSART PIC16F I 2 C/SPI AUSART PIC16F I 2 C/SPI AUSART PIC16F I 2 C/SPI AUSART PIC16F I 2 C/SPI AUSART PIC18F I 2 C/SPI EUSART AUSART PIC18F I 2 C/SPI EUSART AUSART PIC18F I 2 C/SPI EUSART AUSART PIC18F I 2 C/SPI EUSART AUSART CCP/ PWM LCD 段 8 位 / 8/16 位 / 16 位 定 时 器 1 4x15 (60) 2-8 位 1-16 位 1-WDT 2 4x24 (96) 2-8 位 1-16 位 1-WDT 1 4x15 (60) 2-8 位 1-16 位 1-WDT 2 4x24 (96) 2-8 位 1-16 位 1-WDT 2 4x46 (168) 2 4x32 (128) 2 4x32 (128) 2 4x48 (192) 2 4x48 (192) 2-8 位 1-16 位 1-WDT 3-16 位 1-8 位 1-WDT 3-16 位 1-8 位 1-WDT 3-16 位 1-8 位 1-WDT 3-16 位 1-8 位 1-WDT 引 脚 28PDIP 28SOIC 28SSOP 28QFN 40PDIP 44TQFP 44QFN 28PDIP 28SOIC 28SSOP 28QFN 40PDIP 44TQFP 44QFN 64TQFP 64TQFP 64TQFP 80TQFP 80TQFP DS39757A_CN 第 16 页 2006 Microchip Technology Inc.

21 仪 表 的 功 能 部 件 中 档 LCD 解 决 方 案 PIC16F913/914/916/917/946 系 列 LCD 器 件 在 价 格 和 LCD 像 素 数 间 取 得 了 很 好 的 平 衡 PIC16F913/914/916/917/946 功 能 集 包 括 : LCD 段 7/14 KB 闪 存 程 序 存 储 器 256 字 节 EEPROM 数 据 存 储 器 低 功 耗 纳 瓦 技 术 35 条 简 单 指 令 32 khz 到 8 MHz 内 部 振 荡 器, 可 实 现 灵 活 的 时 钟 系 统 和 故 障 保 护 时 钟 集 成 了 模 拟 外 设, 如 A/D 转 换 器 和 比 较 器 I 2 C /SPI/AUSART 串 行 通 信 5-8 路 通 道, 10 位 A/D 转 换 器 请 参 见 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 了 解 更 多 信 息 高 性 能 LCD 解 决 方 案 Microchip 的 高 性 能 PIC18F6390/6490/8390/8490 系 列 LCD 单 片 机 提 供 了 更 大 的 存 储 密 度 和 更 多 的 引 脚, 可 满 足 更 复 杂 的 LCD 应 用 需 求 该 系 列 单 片 机 能 提 供 更 多 像 素 更 高 的 性 能 和 更 大 的 功 能 集, 具 有 64 引 脚 和 80 引 脚 两 种 封 装 形 式 标 准 功 能 集 包 括 : LCD 段 8/16 KB 闪 存 程 序 存 储 器 低 功 耗 纳 瓦 技 术 优 化 了 代 码 执 行 效 率 和 性 能 的 高 级 指 令 集 32 khz 到 32 MHz 内 部 振 荡 器, 可 实 现 灵 活 的 时 钟 系 统 和 故 障 保 护 时 钟 集 成 了 模 拟 外 设, 如 A/D 转 换 器 和 比 较 器 I 2 C /SPI/AUSART/EUSART 串 行 通 信 12 路 通 道, 10 位 A/D 转 换 器 与 同 类 产 品 相 比, PIC18F6390/6490/8390/8490 系 列 LCD 单 片 机 是 多 段 数 和 高 性 能 LCD 应 用 的 最 佳 选 择 请 参 见 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 了 解 更 多 信 息 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 17 页

22 支 持 LCD PIC 单 片 机 的 开 发 工 具 PICDEM LCD 板 (DM163028) 演 示 了 和 80 引 脚 LCD 闪 存 PIC 单 片 机 的 主 要 功 能 该 板 上 使 用 的 是 PIC18F8490 器 件 通 过 转 接 插 座 还 可 以 支 持 其 他 器 件 该 演 示 板 包 含 了 一 块 LCD 玻 璃 显 示 样 板, 用 于 自 定 义 设 计 图 3-6: PICDEM LCD 演 示 板 请 访 问 Microchip 网 站 (www.microchip.com/lcd), 了 解 LCD 仿 真 和 开 发 产 品 的 完 整 信 息 DS39757A_CN 第 18 页 2006 Microchip Technology Inc.

23 仪 表 的 功 能 部 件 3.4 通 信 通 常 在 电 子 仪 表 中 使 用 通 信 技 术, 来 配 置 仪 表 内 的 参 数 和 传 送 存 储 的 数 据 到 主 机 通 信 方 式 可 以 是 有 线 ( 电 话 线 和 传 输 线 等 ) 或 无 线 (IrDA 和 蜂 窝 无 线 网 络 等 ) 本 节 将 简 要 介 绍 一 些 与 仪 表 通 信 相 关 的 技 术 一 旦 采 用 了 通 信 端 口, 设 计 者 就 需 要 采 取 措 施 来 保 护 仪 表 的 内 容 通 信 软 件 应 具 有 几 个 安 全 级 别 例 如, 首 先, 软 件 应 采 用 合 理 的 方 式 只 允 许 授 权 人 员 读 取 仪 表 内 容 ; 第 二, 仪 表 应 具 有 几 个 访 问 级 别 比 如, 允 许 第 一 个 级 别 的 用 户 读 仪 表, 允 许 第 二 个 级 别 的 用 户 读 取 和 清 除 仪 表 数 据, 允 许 第 三 个 级 别 的 用 户 配 置 仪 表 内 的 参 数 等 等 Microchip 有 许 多 加 密 程 序 可 用 于 保 护 开 放 链 路 上 的 通 信 数 据 可 参 考 的 应 用 笔 记 包 括 :AN583 Implementation of the Data Encryption Standard Using PIC17C42 (DES) AN821 Advanced Encryption Standard Using the PIC16XXX (AES) 和 AN953 Data Encryption Routines for the PIC18 (AES XTEA KIPJACK 和 伪 随 机 XOR) dspic DSC 产 品 还 有 非 对 称 (SW300055) 和 对 称 (SW300050) 库 请 参 见 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 中 的 表 4.5 了 解 这 些 信 息 和 获 取 其 他 技 术 资 料 有 线 通 信 电 话 线 电 话 线 可 能 是 地 球 上 应 用 最 广 的 网 络 电 话 线 最 常 用 于 电 表 通 信, 因 为 电 话 线 的 入 室 点 通 常 跟 电 表 很 近 水 表 很 有 可 能 位 于 街 边, 而 气 表 一 般 在 房 子 的 其 他 地 方, 需 要 额 外 的 设 施 才 能 使 用 电 话 线 电 话 线 需 要 一 个 调 制 解 调 器 才 能 进 行 通 信 嵌 入 式 调 制 解 调 器 波 特 率 在 1200 到 56K 之 间 单 片 机 和 嵌 入 式 调 制 解 调 器 间 的 接 口 是 一 个 简 单 的 串 行 端 口 和 一 些 状 态 和 控 制 线 嵌 入 式 调 制 解 调 器 通 常 使 用 标 准 AT 命 令 集 通 信, 该 命 令 集 可 以 很 方 便 地 安 装 在 单 片 机 上 诸 如 TDK Semiconductor Xecom Zoom 和 Wintec 公 司 都 提 供 调 制 解 调 器 模 块 和 分 立 的 调 制 解 调 器 IC, 可 用 于 嵌 入 式 系 统 的 设 计 中 乍 一 看 会 觉 得 使 用 电 话 线 通 信 是 个 好 方 法 但 仪 表 中 广 泛 采 用 的 调 制 解 调 器 需 要 使 用 本 地 号 码 拨 号 上 网 但 业 主 通 常 不 喜 欢 仪 表 拨 打 长 途 电 话 该 方 法 还 要 求 基 础 设 施 能 处 理 这 些 拨 入 电 话 并 与 仪 表 通 信, 所 以 调 制 解 调 器 必 须 能 检 测 是 否 有 其 他 通 话 拨 入 并 中 止 当 前 通 信 ( 这 对 紧 急 拨 叫 非 常 重 要 ) Microchip 提 供 了 一 些 电 话 通 信 资 源 应 用 笔 记 Embedding PICmicro Microcontrollers in the Internet (AN731) 说 明 了 单 片 机 与 嵌 入 式 调 制 解 调 器 (V.21 到 V.23) 的 连 接 方 式 Microchip 还 提 供 了 使 用 dspic30f 系 列 器 件 实 现 的 软 调 制 解 调 器 它 提 供 了 不 同 的 协 议 和 波 特 率 版 本 ( 从 V.21 到 V.42) 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 19 页

24 dspicdem.net 开 发 板 ( 图 3-7) 提 供 了 一 个 基 本 平 台, 用 于 开 发 和 评 估 软 调 制 解 调 器 的 Internet 连 接 方 案, 该 调 制 解 调 器 采 用 的 是 dspic30f 位 数 字 信 号 控 制 器 图 3-7: dspicdem.net 开 发 板 传 输 线 本 技 术 采 用 交 流 传 输 线 作 为 通 信 介 质 传 输 线 通 信 模 块 通 常 位 于 电 表 内, 便 于 与 高 压 交 流 传 输 线 连 接 本 技 术 不 能 同 用 于 室 内 而 非 室 外 通 信 的 X-10 混 淆, 它 所 面 临 的 主 要 挑 战 是 数 据 传 输 要 通 过 交 流 变 压 器, 该 变 压 器 用 于 将 传 输 线 上 极 高 的 电 压 (KV) 降 到 240 V 入 室 电 压 这 些 变 压 器 如 同 滤 波 器 一 样, 所 以 在 变 压 器 间 传 送 数 据 的 技 术 非 常 重 要, 需 要 使 用 扩 频 或 类 似 的 通 信 技 术 空 调 和 冰 箱 会 在 传 输 线 上 产 生 大 量 的 噪 声, 调 制 解 调 器 必 须 能 在 这 种 环 境 中 可 靠 地 传 输 数 据 传 输 线 通 信 要 求 基 础 设 施 能 收 集 从 室 内 传 送 过 来 的 数 据, 通 常 是 流 经 变 压 器 的 数 据 流 这 些 收 集 站 一 般 通 过 电 话 线 将 数 据 传 回 到 数 据 存 储 设 备 受 技 术 限 制, 传 输 线 调 制 解 调 器 尚 未 成 为 主 流 技 术, 但 AMRTech Hunt Technologies 和 DCSI/TWACS 公 司 都 提 供 了 基 于 该 技 术 的 解 决 方 案 其 他 有 线 技 术 其 他 现 有 的 有 线 技 术, 如 电 缆 调 制 解 调 器 和 以 太 网 等, 都 没 有 用 于 仪 表, 主 要 是 因 为 这 些 技 术 需 要 业 主 订 购 服 务 并 需 要 安 装 额 外 的 配 线 当 这 种 技 术 可 用 于 仪 表 时, Microchip 将 准 备 好 几 种 独 立 的 和 集 成 的 硬 件 以 太 网 解 决 方 案 和 免 费 的 TCP/IP 栈, 以 帮 助 客 户 开 发 应 用 WiFi 技 术 也 归 属 于 有 线 技 术, 因 为 它 需 要 一 个 类 似 于 有 线 以 太 网 的 网 络 来 连 接 和 传 输 数 据 DS39757A_CN 第 20 页 2006 Microchip Technology Inc.

25 仪 表 的 功 能 部 件 无 线 技 术 ZigBee /IEEE ( 短 距 离 无 线 通 信 ) ZigBee 是 下 一 代 新 兴 无 线 标 准, 它 是 专 为 低 速 ( 通 常 kbps) 和 短 距 离 (<100 米 ) 通 信 而 设 计 的, 很 适 合 将 电 表 气 表 和 水 表 通 过 网 络 连 在 一 起 ZigBee 协 议 栈 使 用 IEEE 无 线 收 发 器, 目 前, Chipcon Atmel Freescale ZMD 和 Microchip 等 多 家 公 司 都 可 提 供 该 产 品 IEEE 有 3 个 频 段, 允 许 在 全 世 界 范 围 内 工 作 :2.4 GHz 适 用 于 全 球, 868 MHz 用 于 欧 洲, 而 915 MHz 用 于 美 洲 使 用 ZigBee 的 仪 表 需 要 使 用 IEEE 收 发 器 和 运 行 ZigBee 协 议 栈 的 单 片 机 Microchip 可 以 提 供 2.4 GHz 收 发 器 和 免 费 ZigBee 协 议 栈 请 参 见 应 用 笔 记 Microchip ZigBee 协 议 栈 ( AN965) 了 解 更 多 信 息 PICDEM Z 演 示 工 具 包 是 一 个 易 于 使 用 的 ZigBee 无 线 通 信 协 议 开 发 和 演 示 平 台 该 演 示 工 具 包 包 括 ZigBee 协 议 栈 和 两 块 带 有 RF 子 板 的 PICDEM Z 板 该 演 示 板 还 带 有 一 个 6 引 脚 标 准 连 接 器, 用 于 直 接 与 Microchip 的 MPLAB ICD 2 在 线 调 试 器 (DV164005) 接 口 使 用 MPLAB ICD 2, 开 发 者 可 以 在 同 一 平 台 上 重 新 编 程 或 修 改 PIC18 MCU 闪 存 存 储 器, 开 发 和 调 试 应 用 程 序 代 码 Microchip MPLAB IDE 软 件 可 在 Microchip 网 站 上 免 费 下 载 图 3-8: PICDEM Z 主 板 和 RF 卡 连 接 方 式 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 21 页

26 Z-WAVE Z-Wave 是 Zensys 开 发 的 专 用 协 议, 数 据 传 输 速 率 为 9.6 kbps, 工 作 频 率 为 868 MHz 或 908 MHz Z-Wave 广 泛 用 于 如 照 明 家 用 电 器 和 HVAC 控 制 等 室 内 控 制 应 用 上 在 功 能 上 它 与 ZigBee 类 似, 适 合 连 接 水 表 气 表 和 电 表 现 在 除 了 Zensys 开 发 的 模 块 外, 还 没 有 其 他 嵌 入 式 模 块 Zensys 也 提 供 单 芯 片 器 件 红 外 线 ( 短 距 离 无 线 通 信 ) 另 一 种 无 线 技 术 就 是 经 常 会 被 忽 略 的 红 外 技 术 红 外 技 术 目 前 用 于 许 多 电 表 中, 用 于 参 数 配 置 和 数 据 传 输 它 遵 循 几 个 标 准 ANSI C12.18 是 有 关 连 接 器 安 装 物 理 尺 寸 的 标 准 IEC 规 范 是 红 外 线 通 信 相 关 的 协 议 和 目 录 应 用 笔 记 Fundamentals of the Infrared Physical Layer (AN243) 详 细 说 明 了 红 外 线 通 信 的 原 理 目 前 这 种 类 型 的 红 外 端 口 常 用 于 读 表 系 统 使 读 表 器 靠 近 电 表, 将 探 头 放 在 连 接 器 上, 然 后 读 取 电 表 内 部 存 储 的 数 据 读 表 器 一 般 是 运 行 数 据 读 取 软 件 的 手 持 PDA 或 类 似 设 备 目 前, 数 据 读 取 软 件 有 GE 的 MeterMate 等 图 3-9 显 示 一 个 将 PC 或 PDA 与 电 表 连 接 器 相 连 的 探 头 连 接 器 的 安 装 位 置, 如 图 中 虚 线 所 示 图 3-9: 电 表 连 接 器 探 头 专 用 短 距 离 无 线 通 信 现 在 市 场 上 充 斥 着 大 量 短 距 离 无 线 通 信 设 备 这 些 设 备 覆 盖 和 915 MHz 频 段, 比 特 率 最 高 可 达 100 kbps 诸 如 Chipcon Micrel 和 Microchip 公 司 提 供 独 立 收 发 器 和 集 成 解 决 方 案 ( 收 发 器 加 单 片 机 ) 此 类 设 计 所 面 临 的 挑 战 是 协 议 栈 要 由 设 计 者 创 建 这 样 将 一 个 原 本 很 简 单 的 应 用 程 序 分 成 了 两 个 应 用 程 序 : 主 应 用 程 序 和 RF 协 议 幸 运 的 是 有 些 制 造 商 已 经 开 发 了 简 单 协 议, 从 而 缩 短 了 工 程 进 度 DS39757A_CN 第 22 页 2006 Microchip Technology Inc.

27 仪 表 的 功 能 部 件 GSM/GPRS/CDMA 蜂 窝 式 无 线 通 信 另 一 个 可 行 的 技 术 是 GSM/GPRS/CDMA 调 制 解 调 器 它 们 非 常 适 合 远 程 计 量 应 用 例 如, 用 于 灌 溉 庄 稼 的 水 泵 可 能 需 要 一 个 水 表 和 一 个 电 表 由 于 水 泵 的 远 程 特 性, 可 能 需 要 一 个 蜂 窝 式 调 制 解 调 器 将 水 泵 信 息 传 送 给 检 测 站 派 专 人 去 读 取 仪 表 数 据 是 不 切 实 际 的, 因 为 路 途 很 远 要 花 费 很 长 的 时 间, 所 需 费 用 远 超 过 调 制 解 调 器 硬 件 的 成 本 公 共 事 业 公 司 通 常 会 有 许 多 此 类 仪 表, 通 过 协 商 还 能 降 低 每 月 调 制 解 调 器 的 服 务 费 嵌 入 式 蜂 窝 调 制 解 调 器 大 多 使 用 简 单 串 行 接 口, 并 且 使 用 标 准 AT 命 令 集 配 置 和 使 用 电 话 诸 如 Motorola Sierra Wireless 和 Falcom 等 公 司 都 制 造 基 于 GSM/GPRS 和 CDMA 的 嵌 入 式 调 制 解 调 器 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 23 页

28 3.5 低 功 耗 部 件 仪 表 应 用 中 需 要 考 虑 的 另 一 个 重 要 方 面 就 是 : 在 丢 失 主 电 源 情 况 下 要 进 行 适 当 的 低 功 耗 管 理 和 维 持 系 统 鲁 棒 性 (Robustness) 要 更 好 地 理 解 这 些 不 同 的 需 求, 必 须 对 仪 表 系 统 的 主 电 源 有 深 入 的 认 识 公 用 仪 表 一 般 有 两 种 供 电 方 式 : 交 流 和 直 流 ( 如 小 电 池 ) 电 源 电 表 中 通 常 采 用 交 流 电 源, 而 由 于 水 表 通 常 连 不 到 交 流 电 源 插 座 或 直 接 交 流 供 电 被 认 为 是 不 安 全 的, 在 水 表 中 通 常 使 用 直 流 电 源 接 下 来 我 们 将 具 体 介 绍 这 两 种 供 电 方 式, 同 时 介 绍 Microchip 一 些 适 合 这 类 应 用 的 重 要 器 件 牢 记 这 一 规 则 : 几 乎 所 有 可 用 于 交 流 稳 压 电 源 应 用 的 器 件 同 样 也 可 用 于 不 稳 定 的 直 流 电 源 应 用 中 交 流 稳 压 电 源 供 电 的 仪 表 交 流 供 电 仪 表 可 通 过 标 准 电 源 插 座 获 得 几 乎 无 限 量 的 电 能 ( 一 般 最 高 限 制 为 2 W) 对 于 交 流 供 电 的 公 用 仪 表, 当 计 量 单 元 丢 失 主 电 源 时, 智 能 电 源 管 理 部 件 除 了 管 理 系 统 的 全 面 操 作 外, 还 起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 因 为 当 交 流 电 源 暂 时 切 断 时, 也 许 用 户 正 在 使 用 燃 气, 或 者 计 量 单 元 正 忙 于 向 非 易 失 存 储 器 存 储 重 要 数 据 或 正 在 向 公 共 事 业 公 司 传 送 数 据 交 流 供 电 仪 表 系 统 使 用 变 压 器 或 无 变 压 器 电 源 要 降 低 应 用 成 本 和 规 模, 有 时 可 通 过 一 个 简 单 的 电 抗 和 阻 抗 分 离 的 无 变 压 器 电 路 向 仪 表 供 电 这 通 常 适 用 于 仪 表 已 连 接 到 交 流 电 源 的 情 况 ( 例 如 电 表 ) 但 这 种 设 计 使 得 典 型 电 路 ( 见 图 3-10) 供 给 的 电 流 有 限, 从 而 限 制 了 大 功 率 元 件 的 使 用 合 理 的 功 耗 管 理 有 助 于 降 低 应 用 电 路 的 平 均 功 耗, 由 此 降 低 电 源 元 件 的 大 小 和 重 量 图 3-10: 带 有 安 全 保 护 的 容 性 电 源 L 熔 丝 VOUT VR1 D1 5.1V C2 470m IOUT IIN N R /2W C1.47m 250V D2 R2 1M DS39757A_CN 第 24 页 2006 Microchip Technology Inc.

29 仪 表 的 功 能 部 件 为 了 补 偿 交 流 电 源 的 损 失, 设 计 工 程 师 通 常 会 在 设 计 仪 表 时 添 加 某 类 备 用 电 源 系 统, 可 以 是 大 电 容 超 大 电 容 或 一 个 小 型 锂 电 池 在 启 用 备 用 电 源 的 情 况 下, 整 个 系 统 的 功 耗 特 别 是 单 片 机 的 功 耗 就 变 得 至 关 重 要 设 计 工 程 师 常 面 临 的 挑 战 有 : 在 上 述 情 况 条 件 下 系 统 应 保 持 多 长 的 激 活 时 间? 整 个 系 统 的 待 机 电 流 是 多 少? 系 统 的 工 作 电 流 是 多 少? 如 何 优 化 功 耗 和 使 器 件 性 能 ( 时 钟 速 度 ) 快 速 适 应 当 前 的 要 求? 如 何 在 不 稳 定 电 池 供 电 条 件 下 可 靠 地 工 作? 如 何 在 无 变 压 器 电 源 系 统 中 可 靠 地 工 作? 如 何 通 过 集 成 欠 压 复 位 看 门 狗 定 时 器 和 故 障 保 护 时 钟 监 视 电 路 增 加 系 统 可 靠 性? 由 于 执 行 不 同 任 务 时 的 工 作 负 载 也 各 不 相 同, 如 何 更 好 地 动 态 优 化 仪 表 中 的 单 片 机 功 耗 显 得 非 常 重 要 以 图 3-11 给 出 的 典 型 计 量 为 例, 该 示 例 执 行 了 以 下 任 务 : 实 时 时 钟 更 新 很 小 的 任 务, 可 以 被 编 程 为 每 秒 执 行 一 次 计 数 器 递 增 也 是 一 个 很 小 的 任 务, 可 以 在 收 到 来 自 计 量 装 置 的 脉 冲 时 ( 如 电 表 中 MCP3905 的 输 出, 或 气 / 水 表 中 位 移 测 量 装 置 产 生 的 脉 冲 ) 产 生 中 断 偶 尔 需 要 MCU 执 行 高 强 度 的 计 算 任 务 例 如, 通 过 IrDA 或 RS-485 与 仪 表 通 信 来 自 动 读 表, 或 简 单 地 更 新 显 示 或 执 行 一 些 与 计 费 / 记 录 相 关 的 功 能 所 有 新 的 PICmicro 单 片 机 (PIC16 和 PIC18 两 个 系 列 ) 都 提 供 了 Microchip 的 纳 瓦 功 耗 管 理 技 术 纳 瓦 技 术 具 有 一 系 列 非 常 有 用 的 特 性 是 针 对 功 耗 管 理 和 鲁 棒 性 问 题 的, 所 以 非 常 适 于 用 在 公 用 仪 表 的 设 计 中 事 实 上, 纳 瓦 器 件 不 仅 在 业 界 中 功 耗 最 低 可 以 在 很 宽 的 电 压 范 围 内 工 作, 此 外, 还 提 供 了 一 组 非 常 灵 活 的 智 能 功 耗 管 理 功 能 图 3-11: 主 运 行 状 态 (40 MHz) 纳 瓦 功 耗 管 理 高 强 度 计 算 任 务 辅 助 运 行 状 态 (32 khz) RTC 和 日 常 管 理 休 眠 状 态 定 期 唤 醒 RTC 中 断 (1 Hz) 平 均 功 耗 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 25 页

30 纳 瓦 器 件 最 多 可 提 供 7 种 工 作 模 式, 允 许 系 统 在 任 意 时 刻 快 速 切 换 到 最 佳 时 钟 源 在 上 面 的 示 例 中, 最 佳 功 耗 管 理 策 略 可 以 使 用 下 列 方 案 : 保 持 MCU 处 于 休 眠 模 式, 以 降 低 无 任 务 时 段 的 功 耗 保 持 RTC 功 能 使 用 的 定 时 器 处 于 活 动 状 态 ( 使 用 32 khz 的 辅 助 振 荡 器, 如 图 3-12 所 示 ) 图 3-12: RTC 使 用 的 TMR1 振 荡 器 T1OSI 中 断 32 khz TMR1 1s T1OSO 定 期 唤 醒 器 件 低 速 执 行 小 型 任 务 ( 使 用 同 一 个 辅 助 振 荡 器 ) 当 检 测 到 需 要 更 高 级 的 功 能 时, 主 振 荡 器 将 启 动 并 执 行 高 强 度 的 任 务 ( 以 较 高 功 耗 的 短 脉 冲 快 速 执 行 ) 现 在, 在 给 定 功 耗 数 据 ( 见 图 3-13) 的 情 况 下, 通 过 比 较 单 片 机 执 行 每 个 任 务 所 花 费 的 时 间 百 分 比 和 选 定 工 作 模 式 的 功 耗 大 致 可 以 算 出 整 个 应 用 的 平 均 功 耗 考 虑 到 大 多 数 采 用 纳 瓦 技 术 的 PICmicro 器 件 具 有 最 多 9 种 可 选 振 荡 器 模 式 ( 包 括 4 种 晶 振 模 式 2 种 外 部 时 钟 模 式 2 种 外 部 RC 振 荡 器 模 式 和 1 种 在 软 件 控 制 下 可 提 供 多 种 时 钟 频 率 的 内 部 振 荡 器 电 路 ), 纳 瓦 技 术 的 灵 活 性 几 乎 可 以 不 受 限 制 图 3-13: 功 耗 管 理 示 例 18 ma RC 运 行 模 式 200 µa 辅 助 运 行 模 式 (TMR1) 2 µa 休 眠 + WDT + TMR1 注 : 实 际 电 流 值 取 决 于 选 定 的 PICmicro 型 号 和 应 用 方 案 的 具 体 设 计 DS39757A_CN 第 26 页 2006 Microchip Technology Inc.

31 仪 表 的 功 能 部 件 不 稳 定 直 流 电 源 供 电 的 仪 表 直 流 供 电 的 仪 表 ( 如 水 表 和 气 表 ) 一 般 使 用 小 型 电 池 ( 无 稳 压 ) 供 电 在 这 类 系 统 中, 系 统 的 待 机 或 非 工 作 电 流 对 整 个 系 统 的 功 耗 影 响 很 大 采 用 纳 瓦 技 术 ( 如 低 待 机 电 流 快 速 振 荡 器 起 振 模 式 和 不 同 的 软 件 控 制 振 荡 器 模 式 ) 的 PICmicro 器 件 在 必 要 时 可 优 化 性 能 和 降 低 电 流 消 耗 在 大 多 数 电 池 供 电 的 应 用 中, 整 个 系 统 的 鲁 棒 性 依 赖 于 单 片 机 处 理 低 压 不 稳 定 电 池 和 由 噪 声 引 发 的 事 件 的 方 式 采 用 纳 瓦 技 术 的 PICmicro 器 件 的 宽 工 作 电 压 范 围 ( 一 般 为 2.0V 到 5.5V) 特 性 大 大 简 化 了 仪 表 设 计, 并 可 以 延 长 电 池 寿 命 事 实 上, 在 此 类 设 计 中 可 以 省 去 稳 压 器, 获 取 宝 贵 的 电 池 电 压 裕 度, 进 一 步 深 度 放 电, 来 延 长 电 池 寿 命 Microchip 也 提 供 各 种 独 立 的 模 拟 器 件, 可 用 于 系 统 监 管 或 智 能 电 池 管 理 提 高 可 靠 性 对 所 有 的 仪 表 应 用 都 极 为 关 键, 在 不 稳 定 电 源 供 电 的 计 量 应 用 中 尤 为 突 出 所 有 的 Microchip 纳 瓦 器 件 中 除 传 统 的 看 门 狗 定 时 器 外, 还 集 成 了 3 个 关 键 电 路, 以 便 提 供 更 高 的 可 靠 性 : 欠 压 复 位 (Brown-out Reset, BOR): 该 选 项 是 可 编 程 的, 用 于 在 电 源 电 压 下 降 到 门 限 值 以 下 时 复 位 MCU, 防 止 器 件 在 规 定 的 工 作 电 压 范 围 外 工 作 低 压 检 测 (Low-Voltage Detect, LVD): 该 选 项 同 样 是 可 编 程 的, 用 于 在 电 源 电 压 下 降 到 预 定 值 ( 一 般 设 置 为 略 高 于 BOR 的 值 ) 以 下 时 产 生 中 断 报 警 该 选 项 可 在 欠 压 复 位 电 路 介 入 前 将 重 要 工 作 参 数 保 存 到 非 易 失 性 存 储 器 中, 以 备 事 后 安 全 恢 复 时 使 用 故 障 保 护 时 钟 监 视 器 (Fail-Safe Clock Monitor, FSCM): 这 是 3 者 中 最 高 级 的 功 能 故 障 保 护 时 钟 监 视 器 不 同 于 看 门 狗 定 时 器, 它 由 额 外 的 电 路 构 成, 用 于 验 证 外 部 时 钟 源 是 否 正 常 工 作 当 故 障 保 护 时 钟 监 视 器 检 测 到 外 部 时 钟 因 某 种 原 因 出 现 故 障 时, MCU 时 钟 会 迅 速 切 换 到 内 部 振 荡 器, 从 而 维 持 MCU 继 续 工 作, 使 系 统 置 于 安 全 故 障 模 式 ( 例 如, 将 重 要 数 据 保 存 到 非 易 失 性 存 储 器 ), 并 通 知 用 户 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 27 页

32 3.6 校 准 气 表 和 水 表 校 准 测 量 流 经 仪 表 的 水 和 气 的 流 量 的 过 程 实 际 使 用 的 是 机 械 原 理, 如 第 节 气 表 和 水 表 传 感 器 中 讨 论 的 那 样, 通 过 机 械 方 法 测 量 水 或 燃 气 的 体 积 仪 表 设 计 中 可 采 用 某 种 方 式 对 随 之 带 来 的 微 小 偏 差 进 行 调 整 如 果 人 机 界 面 采 用 电 子 显 示, 可 使 用 单 片 机 来 补 偿 测 量 中 产 生 的 微 小 偏 差, 但 要 求 这 些 偏 差 是 可 以 预 测 和 稳 定 一 致 的 大 多 数 国 家 都 在 标 准 中 规 定 了 民 用 和 商 业 仪 表 的 精 度 要 求 独 立 实 验 室 可 在 规 定 的 条 件 下 测 试 仪 表 的 精 度 热 表 校 准 热 表 的 校 准 需 要 确 定 系 统 中 3 个 部 件 的 精 度 : 流 速 传 感 器 温 度 传 感 器 对 和 热 能 计 算 器, 国 际 标 准 EN 热 能 仪 表 和 OIML R75-1 热 表 中 对 最 大 允 许 误 差 作 出 了 规 定 EN 规 定 流 速 表 的 最 大 允 许 误 差 (Ef) 约 为 2%, 温 度 传 感 器 的 最 大 允 许 误 差 (Et, 测 量 值 为 两 个 传 感 器 间 的 温 度 差 ) 约 为 0.5%, 而 热 能 计 算 器 的 允 许 误 差 (Ec) 约 为 0.5% 因 此 总 误 差 为 Et = Ef + Et + Ec 温 度 传 感 器 和 流 速 传 感 器 在 出 厂 前 已 经 测 试 和 校 准, 符 合 EN 标 准, 并 在 产 品 数 据 手 册 中 列 出 了 相 关 的 信 息 从 系 统 角 度 讲, 校 准 这 些 子 部 件 具 有 相 当 难 度, 所 以 通 常 由 独 立 实 验 室 使 用 专 门 设 计 的 设 备 来 完 成 这 些 校 准 电 表 校 准 由 于 存 在 参 考 电 压 变 化 传 感 器 容 差 或 其 他 系 统 增 益 误 差 的 影 响, 所 以 同 样 需 要 校 准 电 表 当 仅 测 量 交 流 功 率 时, 可 使 用 单 点 校 准 的 方 法 单 点 电 表 校 准 可 消 除 系 统 中 由 于 分 流 器 容 差 VREF 容 差 或 任 何 其 他 误 差 引 起 的 增 益 误 差 最 基 本 和 可 靠 的 电 表 校 准 方 法 是 使 用 如 图 3-14 所 示 的 电 阻 分 压 器 网 络, 同 时 在 印 刷 电 路 板 (Printed Circuit Board, PCB) 上 预 留 校 准 短 路 点, 用 于 将 链 路 中 的 电 阻 短 路 该 网 络 由 一 系 列 串 联 的 加 权 电 阻 组 成, 每 个 电 阻 都 有 短 路 跳 线 此 外, 在 校 准 网 络 前 端 还 有 两 个 330 KΩ 的 电 阻 这 两 个 电 阻 将 始 终 存 在, 用 于 实 现 相 位 匹 配 ( 保 持 在 3dB 点 ) 图 3-14 所 示 的 电 阻 位 于 PCB 的 背 面 可 用 烙 铁 快 速 测 试 每 个 电 阻 并 校 准 电 表 DS39757A_CN 第 28 页 2006 Microchip Technology Inc.

33 仪 表 的 功 能 部 件 图 3-14: 电 阻 网 络 的 校 准 短 路 设 计 要 校 准 电 表, 首 先 需 要 在 远 高 于 或 低 于 预 期 校 准 频 率 的 频 率 下 测 试 每 一 个 电 阻 以 图 3-15 给 出 的 网 络 2 为 例, 校 准 从 高 频 开 始, 向 下 逐 步 过 渡 到 较 低 频 率, 以 加 速 校 准 过 程 校 准 电 阻 (RC1 到 RCN) 阻 值 是 在 仪 表 校 准 范 围 内 二 进 制 加 权 递 增 的 精 度 为 1% 的 典 型 校 准 网 络 需 要 10 个 电 阻, 若 想 达 到 10 位 分 辨 率, 最 小 电 阻 值 应 为 整 个 校 准 电 阻 链 (RC1 到 RCN) 总 值 的 1% 需 要 注 意 的 是 电 阻 网 络 的 截 止 频 率 或 -3 db 点 必 须 与 其 他 通 道 一 致 不 论 有 多 少 校 准 电 阻 被 短 路, 抗 混 叠 滤 波 器 都 必 须 保 持 不 变 通 过 调 节 电 路 中 两 个 阻 值 最 大 的 电 阻 RF1 和 RF2 ( 一 个 或 两 个 ) 的 阻 值, 就 可 以 达 到 控 制 整 条 链 路 阻 值 的 目 的 需 要 权 衡 信 号 通 带 内 的 相 位 延 时 和 采 样 频 率 附 近 的 噪 声 衰 减, 来 确 定 截 止 频 率 的 具 体 值 图 3-15: 无 源 电 表 校 准 网 络 方 案 示 例 RC1 RF2 RF1 输 入 RC1 RC2 J1 RC2 J2 RC3 J3... RCN JN 输 出 输 入 输 出 RF1 J1 RF2 J2 J3 JN RC3... RN RD C RD C 网 络 1 网 络 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 29 页

34 寄 生 电 感 校 准 对 于 阻 值 小 于 250 µω 的 分 流 器, 寄 生 电 感 会 使 抗 混 叠 网 络 出 现 问 题, 因 此 需 要 对 此 进 行 校 准 或 补 偿 模 拟 前 端 的 抗 混 叠 滤 波 器 用 于 将 采 样 频 率 (1 MHz) 附 近 的 噪 声 衰 减 到 门 限 值 以 下 (40 db) 在 此 带 宽 下 最 常 见 的 噪 声 来 自 于 电 力 传 输 线 耦 合 而 来 的 调 幅 (AM) 无 线 电 波 或 其 他 射 频 信 号 当 分 流 器 直 接 连 到 该 输 入 网 络 时, 对 输 入 网 络 进 行 分 析 时 必 须 考 虑 到 分 流 器 的 频 率 响 应 可 以 通 过 一 个 二 阶 RC 低 通 滤 波 器 来 消 除 分 流 器 的 电 感 效 应 注 意, 由 于 分 流 器 的 影 响, 零 点 频 率 ( 在 10 khz 附 近 ) 上 只 有 -10 db 的 衰 减 ( 图 3-16) 可 以 使 用 预 制 的 Microsoft Excel 电 子 表 格 精 确 计 算 出 特 定 分 流 器 电 感 和 阻 抗 的 极 点 频 率 和 RC 值, 该 表 格 可 以 从 design 网 页 上 下 载 图 3-16: 校 准 由 分 流 器 寄 生 电 感 引 起 的 抗 混 叠 滤 波 器 问 题 DS39757A_CN 第 30 页 2006 Microchip Technology Inc.

35 第 4 章 Microchip 解 决 方 案 公 用 仪 表 基 础 教 程 4.1 气 表 图 4-1: 气 表 框 图 表 4-1: 推 荐 器 件 器 件 闪 存 程 序 存 储 器 ( 字 节 ) RAM ( 字 节 ) 数 据 存 储 器 EEPROM ( 字 节 ) I/O 10 位 ADC 捕 捉 比 较 PWM SPI MSSP MI 2 C 8/16 位 定 时 器 LCD 段 PIC18F , /3 4x48 (192) PIC18F , /3 4x32 (128) PIC16F946 14, /1 4x42 (168) PIC16F917 14, /1 4x24 (96) PIC16F916 14, /1 4x15 (60) PIC16F877A 14, /2 - PIC16F876A 14, /1 - PIC16F77 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F76 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F72 3, x8 位 1 1-2/1 - PIC16F648A 7, /1 - 显 示 器 :AY0438 运 算 放 大 器 :MCP6141 和 MCP601 数 字 电 位 计 :MCP4021 电 压 监 控 器 :MCP131 和 MCP100 串 行 EEPROM: 见 产 品 目 录 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 31 页

36 4.2 水 表 图 4-2: 水 表 框 图 表 4-2: 推 荐 器 件 器 件 闪 存 程 序 存 储 器 ( 字 节 ) RAM ( 字 节 ) 数 据 存 储 器 EEPROM ( 字 节 ) I/O 10 位 ADC 捕 捉 比 较 PWM SPI MSSP MI 2 C 8/16 位 定 时 器 LCD 段 PIC18F , /3 4x48 (192) PIC18F , /3 4x32 (128) PIC16F946 14, /1 4x42 (168) PIC16F917 14, /1 4x24 (96) PIC16F916 14, /1 4x15 (60) PIC16F877A 14, /2 - PIC16F876A 14, /1 - PIC16F77 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F76 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F72 3, x8 位 1 1-2/1 - PIC16F648A 7, /1 - 显 示 器 :AY0438 运 算 放 大 器 :MCP6141 和 MCP601 数 字 电 位 计 :MCP4021 电 压 监 控 器 :MCP131 和 MCP100 串 行 EEPROM: 见 产 品 目 录 DS39757A_CN 第 32 页 2006 Microchip Technology Inc.

37 Microchip 解 决 方 案 4.3 热 表 图 4-3: 热 表 框 图 表 4-3: 推 荐 器 件 器 件 闪 存 程 序 存 储 器 ( 字 节 ) RAM ( 字 节 ) 数 据 存 储 器 EEPROM ( 字 节 ) I/O 10 位 ADC 捕 捉 比 较 PWM SPI MSSP MI 2 C 8/16 位 定 时 器 LCD 段 PIC18F , /3 4x48 (192) PIC18F , /3 4x32 (128) PIC16F946 14, /1 4x42 (168) PIC16F917 14, /1 4x24 (96) PIC16F916 14, /1 4x15 (60) PIC16F877A 14, /2 - PIC16F876A 14, /1 - PIC16F77 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F76 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F72 3, x8 位 1 1-2/1 - PIC16F648A 7, /1 - 显 示 器 :AY0438 接 口 :MCP2122 和 MCP2120 运 算 放 大 器 :MCP6141 MCP601 和 MCP6021 ADC:MCP3304 MCP3208 和 MCP3008 数 字 电 位 计 :MCP42010 和 MCP4021 电 压 监 控 器 :MCP131 和 MCP100 串 行 EEPROM: 见 产 品 目 录 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 33 页

38 4.4 电 表 图 4-4: 电 表 框 图 表 4-4: 推 荐 器 件 器 件 闪 存 程 序 存 储 器 ( 字 节 ) RAM ( 字 节 ) 数 据 存 储 器 EEPROM ( 字 节 ) I/O 10 位 ADC 捕 捉 比 较 PWM SPI MSSP MI 2 C 8/16 位 定 时 器 LCD 段 PIC18F , /3 4x48 (192) PIC18F , /3 4x32 (128) PIC16F946 14, /1 4x42 (168) PIC16F917 14, /1 4x24 (96) PIC16F916 14, /1 4x15 (60) PIC16F877A 14, /2 - PIC16F876A 14, /1 - PIC16F77 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F76 14, x8 位 2 1-2/1 - PIC16F72 3, x8 位 1 1-2/1 - PIC16F648A 7, /1 - 数 字 信 号 控 制 器 :dspic30f3012 电 能 测 量 IC:MCP3906 和 MCP3905 接 口 :MCP2122 和 MCP2120 显 示 器 :AY0438 运 算 放 大 器 :MCP6141 MCP601 和 MCP6021 可 编 程 增 益 放 大 器 :MCP6S28 ADC:MCP3304 MCP3208 和 MCP3008 数 字 电 位 计 :MCP42010 和 MCP4021 DAC:MCP4821 电 压 监 控 器 :MCP131 和 MCP100 温 度 传 感 器 :TCN75 TCN75A 和 TC77 DS39757A_CN 第 34 页 2006 Microchip Technology Inc.

39 Microchip 解 决 方 案 4.5 资 源 表 4-5: 相 关 应 用 笔 记 和 技 术 文 档 类 别 文 档 号 标 题 通 信 AN242 Designing an FCC Approved ASK rfpic Transmitter AN554 Software Implementation of I 2 C Bus Master AN710 Antenna Circuit Design for RFID Applications AN734 Using the PICmicro SSP for Slave I 2 C Communication AN735 Using the PICmicro MSSP Module for Master I 2 C Communications AN774 Asynchronous Communications with the PICmicro USART AN833 Microchip TCP/IP 协 议 栈 AN860 rfrxd0420 ASK Receiver Reference Design AN868 Designing Loop Antennas for the rfpic12f675 AN870 An SNMP Agent for the Microchip TCP/IP Stack AN965 Microchip ZigBee 协 议 栈 AN979 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PIC18 器 件 接 口 设 计 TB069 rfpic12f675 Transmitter Module TB070 rfrxd0420 Receiver Module 显 示 AN234 Hardware Techniques for PICmicro Microcontrollers AN529 Multiplexing LED Drive and a 4x4 Keypad Sampling AN557 Four-Channel Digital Voltmeter with Display and Keyboard AN563 Using PIC16C5X Microcontrollers as LCD Drivers AN582 Low-Power Real-Time Clock AN587 Interfacing PICmicro MCUs to an LCD Module AN649 Yet Another Clock Featuring the PIC16C924 AN658 LCD Fundamentals Using PIC16C92X Microcontrollers AN785 Simplify A/D Converter Interface with Software (TC7135) AN874 Buck Configuration High-Power LED Driver AN948 Efficiently Powering Nine White LEDs with the MCP1650 TB029 Complementary LED Drive TB060 Drive High Intensity White LEDs Efficiently Using the PIC16C781 TB062 High Power IR LED Driver Using the PIC16C781/782 数 学 AN526 PIC16C5X/PIC16CXXX Math Utility Routines AN544 Math Utility Routines AN575 IEEE 754 Compliant Floating Point Routines AN617 Fixed Point Routines AN660 Floating Point Math Functions AN670 Floating Point to ASCII Conversion AN730 CRC Generating and Checking TB040 Fast Integer Square Root 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 35 页

40 表 4-5: 相 关 应 用 笔 记 和 技 术 文 档 ( 续 ) 类 别 文 档 号 标 题 其 他 AN606 Low-Power Design Using PICmicro Microcontrollers AN682 Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems AN686 Understanding and Using Supervisory Circuits AN700 Make a Delta-Sigma Converter Using a Microcontroller s Analog Comparator Module AN722 Operational Amplifier Topologies and DC Specifications AN730 CRC Generating and Checking AN823 Analog Design in a Digital World Using Mixed Signal Controllers AN826 Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfpic and PICmicro Devices AN849 Basic PICmicro Oscillator Design AN851 A Flash Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices AN866 Designing Operational Amplifier Oscillator Circuits For Sensor Applications AN943 Practical PICmicro Oscillator Analysis and Design AN949 Making Your Oscillator Work AN954 Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive TB008 Transformerless Power Supply 计 时 AN582 Low-Power Real-Time Clock AN590 A Clock Design Using the PIC16C54 for LED Displays and Switch Inputs AN615 Clock Design Using Low Power/Cost Techniques AN649 Yet Another Clock Featuring the PIC16C924 CE004 Real-Time Clock on the dspic30f TB028 Technique to Calculate Day of Week 安 防 AN583 Implementation of the Data Encryption Standard Using PIC17C42 AN714 Wireless Home Security Implementing KEELOQ and the PICmicro Microcontroller AN821 Advanced Encryption Standard Using the PIC16XXX AN953 Data Encryption Routines for the PIC18 串 行 EEPROM AN690 I 2 C Memory Auto-Detect AN709 System Level Design Considerations When Using I 2 C Serial EEPROM Devices AN974 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PICmicro 单 片 机 的 接 口 设 计 AN976 使 用 MSSP 模 块 进 行 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PIC16 器 件 的 接 口 设 计 AN979 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PIC18 器 件 的 接 口 设 计 AN989 使 用 MSSP 模 块 进 行 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PIC18 器 件 的 接 口 设 计 AN991 使 用 C18 编 译 器 和 MSSP 进 行 I 2 C EEPROM 与 PIC18 器 件 的 接 口 设 计 AN997 使 用 C18 编 译 器 进 行 I 2 C 串 行 EEPROM 与 PIC18 器 件 的 接 口 设 计 DS39757A_CN 第 36 页 2006 Microchip Technology Inc.

41 Microchip 解 决 方 案 4.6 网 络 课 程 下 表 所 列 的 网 络 课 程 可 供 下 载 和 查 看 可 以 通 过 Microchip 网 站 > Support > WebSeminars > Archived WebSeminars 获 取 这 些 网 络 资 源 ( 表 中 所 列 仅 是 其 中 一 小 部 分 ) 这 些 文 件 都 是 Microsoft Windows 媒 体 文 件 的 压 缩 版 本 要 查 看 这 些 文 件, 先 将 其 下 载 ( 保 存 ) 到 自 己 的 计 算 机 上, 然 后 解 压 缩, 接 着 就 可 以 使 用 Microsoft Media Player 查 看 这 些 文 件 了 表 4-6: 类 别 Analog Analog Analog Analog Applications Applications Applications Connectivity Development Tools Products 网 络 课 程 标 题 Amplify Sensor Signals Using the PGA Select the Right Operation Amplifier for Your Filtering Circuits Smaller Packages = Bigger Thermal Challenges Techniques That Reduce System Noise in ADC Circuits EMC Part 1: Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC) EMC Part 2: What is Electrostatic Discharge (ESD)? EMC Part 3: What are Electrical Fast Transients (EFT)? Microchip s ENC28J60, World s Smallest Ethernet Controller Introduction to Microchip s Development Tools The LCD PIC Microcontrollers, PIC18F8490/6490, with 16 Kbytes of Flash in 64 and 80-pin Packages 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 37 页

42 注 : DS39757A_CN 第 38 页 2006 Microchip Technology Inc.

43 第 5 章 规 范 全 世 界 有 许 多 不 同 的 仪 表 规 范, 它 们 中 有 许 多 是 从 IEC 或 ANSI 规 范 衍 生 出 来 的 有 些 是 物 理 或 机 械 规 范, 而 其 他 的 则 是 操 作 规 范 着 手 开 发 仪 表 时, 设 计 人 员 应 咨 询 当 地 的 地 区 的 或 国 家 的 仪 表 规 范 管 理 部 门 以 确 定 设 计 仪 表 及 其 内 部 的 电 子 电 路 应 遵 循 的 规 范 以 下 各 节 列 举 了 一 部 分 规 范 5.1 水 表 5.2 热 表 5.3 电 表 ANSI C700 Cold-Water Meters Displacement Type, Bronze Main Case ANSI C707 Encoder-Type Remote-Registration Systems for Cold-Water Meters BSR/AWWA C7AA-200x Automatic Meter Reading Simple Interface for Cold-Water Meters EN Heat Meters Pattern Approval Tests OIML R75-1 Heat Meters Part 1: General Requirements ANSI C For Electricity Meters 0.2 and 0.5 Accuracy Classes AS1284.5/IEC61036 Alternating Current Static Watt-Hour Meters for Active Energy (Classes 1 and 2) AS1284.9/IEC60687 Alternating Current Static Watt-Hour Meters for Active Energy (Classes 0.2 and 0.5) IEC61268 Alternating Current Static Var-Hour Meters for Reactive Energy (Classes 2 and 3) IEC1107 Data Exchange for Meter Reading, Tariff and Load Control Direct Local Data Exchange IEC Electricity Metering Data Exchange for Meter Reading, Tariff and Load Control Part 31: Use of Local Area Networks on Twisted Pair with Carrier Signalling IEC Electricity Metering Data Exchange for Meter Reading, Tariff and Load Control Part 42: Physical Layer Services and Procedures for Connection-Oriented Asynchronous Data Exchange IEC Electricity Metering Equipment (a.c.) Particular Requirements Part 11: Electromechanical Meters for Active Energy (classes 0, 5, 1 and 2) IEC Electricity Metering Equipment (a.c.) Particular Requirements Part 21: Static Meters for Active Energy (classes 1 and 2) 2006 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 39 页

44 注 : DS39757A_CN 第 40 页 2006 Microchip Technology Inc.

45 索 引 B 表 D 电... 7 气... 7 热... 7 水... 7 dspicdem.net TM 开 发 板 电 表 多 级 费 率... 9 电 流 互 感 器 (CT) 电 流 检 测 分 流 器 电 子 仪 表 防 篡 改 保 护... 4 非 线 性 负 载 和 低 功 率 因 数... 4 可 靠 性 和 耐 用 性... 3 易 于 校 准... 4 电 阻 温 度 计 (RTD)...7, 10 G 规 范 电 表 热 表 水 表 J Internet 地 址... 2 K 客 户 支 持... 2 框 图 电 表 气 表 热 表 水 表 M Microchip 网 站... 2 P PICDEM TM LCD 演 示 板 PICDEM TM Z 演 示 工 具 包 R RTD S 实 时 时 钟 (RTC)... 9 W WWW 地 址... 2 文 档 编 排... 1 X 先 进 的 付 费 方 式 分 时 付 费... 5 预 付 费... 5 显 示 部 件 LCD LED 校 准 部 件 电 表 寄 生 电 感 热 表 Y 仪 表 水 表 直 接 连 接 仪 表 通 信 无 线 技 术 蜂 窝 式 无 线 网 络 ZigBee TM Z-Wave 有 线 通 信 电 话 线 交 流 传 输 线 WiFi 以 太 网 有 线 调 制 解 调 器 Z 传 感 器 气 表 热 表 水 表 自 动 读 表... 5 安 全 性... 5 串 行 端 口 (RS-485)... 5 红 外 线... 5 宽 带... 5 射 频 (RF)... 5 数 据 调 制 解 调 器... 5 资 源 网 络 课 程 相 关 应 用 笔 记 和 技 术 文 档 Microchip Technology Inc. DS39757A_CN 第 41 页

46 全 球 销 售 及 服 务 网 点 美 洲 亚 太 地 区 亚 太 地 区 欧 洲 公 司 总 部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技 术 支 持 : 网 址 :www.microchip.com 亚 特 兰 大 Atlanta Alpharetta, GA Tel: Fax: 波 士 顿 Boston Westborough, MA Tel: Fax: 芝 加 哥 Chicago Itasca, IL Tel: Fax: 达 拉 斯 Dallas Addison, TX Tel: Fax: 底 特 律 Detroit Farmington Hills, MI Tel: Fax: 科 科 莫 Kokomo Kokomo, IN Tel: Fax: 洛 杉 矶 Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: Fax: 圣 何 塞 San Jose Mountain View, CA Tel: Fax: 加 拿 大 多 伦 多 Toronto Mississauga, Ontario, Canada Tel: Fax: 中 国 - 北 京 Tel: Fax: 中 国 - 成 都 Tel: Fax: 中 国 - 福 州 Tel: Fax: 中 国 - 香 港 特 别 行 政 区 Tel: Fax: 中 国 - 青 岛 Tel: Fax: 中 国 - 上 海 Tel: Fax: 中 国 - 沈 阳 Tel: Fax: 中 国 - 深 圳 Tel: Fax: 中 国 - 顺 德 Tel: Fax: 中 国 - 武 汉 Tel: Fax: 中 国 - 西 安 Tel: Fax: 台 湾 地 区 - 高 雄 Tel: Fax: 台 湾 地 区 - 台 北 Tel: Fax: 台 湾 地 区 - 新 竹 Tel: Fax: 澳 大 利 亚 Australia - Sydney Tel: Fax: 印 度 India - Bangalore Tel: Fax: 印 度 India - New Delhi Tel: Fax: 印 度 India - Pune Tel: Fax: 日 本 Japan - Yokohama Tel: Fax: 韩 国 Korea - Gumi Tel: Fax: 韩 国 Korea - Seoul Tel: Fax: 或 马 来 西 亚 Malaysia - Penang Tel: Fax: 菲 律 宾 Philippines - Manila Tel: Fax: 新 加 坡 Singapore Tel: Fax: 泰 国 Thailand - Bangkok Tel: Fax: 奥 地 利 Austria - Wels Tel: Fax: 丹 麦 Denmark-Copenhagen Tel: Fax: 法 国 France - Paris Tel: Fax: 德 国 Germany - Munich Tel: Fax: 意 大 利 Italy - Milan Tel: Fax: 荷 兰 Netherlands - Drunen Tel: Fax: 西 班 牙 Spain - Madrid Tel: Fax: 英 国 UK - Wokingham Tel: Fax: /31/05 DS39757A_CN 第 42 页 2006 Microchip Technology Inc.

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