电子仪表中的关键部件及无线技术

2015-08-12 10:06:45   来源:eefocus   

关键字: 电子仪表  关键部件  无线技术

  电子仪表用于测量燃气、水、热能和电能,是我们每天使用但是却很少关注的公用仪表,如气表和水表、热表、电表。与目前仍在使用的传统机械式和或机电式仪表相比,电子仪表有更多的优势,从而可以被广泛的应用于公共事业市场。这些优点包括:

  可靠性和耐用性:不需要多动部件是电子仪表解决方案的显著优点,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。虽然电子元件对温度变化很敏感,但是这些变化量可以很容易地估算并予以补偿。

  高精度:一般的电子仪表精确度到达0.8%,而有些电子仪表提供的精度规格到达0.5%,甚至0.2%,符合更严格的美国国家标准(AmericanNationStandard,ANSI)C12.20-2002规范。基于MCU或DSC的电表的精确度可以由单软体参数指定,安装时可以根据应用的需求方便地修改这些参数,同时保持硬体平台不变,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。

  非线性负载和低功率(电表):无功率负载(电机消耗的电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,该资料可以用于提醒用户并未考虑功率因数的收费系统提供基础资料。

  易于校准: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忆记忆体(EPROM、EEPROM和快闪记忆体等)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。

  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袭事件。尤其对于电表,可以检测到很多“典型”状况。例如:不对称负载(通过接地复合回路来逃避计量)、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,若仪表与读表网络相连,会立即向公用事业公司发送警报。

  自动读表: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(RadioFrequency,RF)--短距离和长距离;

  ●资料数据机—通过电话线;

  ●传输线载波(PowerLineCarrier,PLC)--短距离到中距离;

  ●序列埠(RS-485);

  ●宽带。

  自动读表的优势通过与掌上型设备(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网路,通过一个节点进行读取,同样可以提高速度和精度。

  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资料的隐私性和完整性就显得非常重要。例如,Microchip的解决方案包括高级的加密的三重DES和AES(最高可达到256位密码),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)

  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。其中,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。此技术使用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)收取更高地使用费,鼓励用户合理高效地使用资源。电子仪表可以集成廉价的及时时钟。(Real-Clock,RTC)和日历(RTCC)电路来及时跟公用资源的使用情况。

  其中分时付费是指在每天的不同时断或每周的这些天对同一种公用资源(例如,电能)收取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(或每周的这些天)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及时时钟(Real-TimeClock,RTC)和日历(RTCC)电路来及时跟从公用使用情况。

  预付费技术意在使公共事业公司降低收费的财务成本。该技术允许用户提前买卖有限数量的服务并接受赊购,通常通过智慧卡或者磁卡付费。在这种情况下,是否提供服务(燃气、水、热能或电能)的关卡。

  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)市场的首选方案。

  仪表组成

  电子仪表最关键的部件是感测器、显示器、电源系统,MCU则成为新型仪表的控制中心。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元MCU甚至16位元数信号控制器(DigitalSignalController,DOS)时,还可以获得更高级的解决方案。

  对于气表和水表,它们使用的是正向位移式流量计,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派动序列,并由MCU进行计数。MCU的任何一个数位输入引脚都可以实现派动计数,但是最好将派动输入信号连接到中断引脚或计时器/计数器引脚,这样可以尽可能多地使用休眠式来把功耗降至最低。

  热表采用的是水流量测量方法,检测器件是温度传感。最常用于热量计量的感测器是电阻温度检测器(ResistanceTemperatureDetector,RTD)。温度感测器对通常使用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MCU上的软体来完成。一旦收集了温度和流量资料之后,经过数学运算就可以计算出所使用的辐射热量。

  电表是采用电流感测器和电压感测器测量电能的。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感测器。感测器的数量必须与系统中电相位的数量一致。这些感测器和支援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。

  仪表最常用地显示部件是LCD和LED,因为它们价格便宜且功耗很低。其中,LED是一种相对高效的光源,当直接极化时(用较低的电压:1.2-1.6V),只需几毫安培电流就可以产生强光。跟LED相似,每个LCD段能代表数码管中的一段、矩阵中的一个图元或自定意的一个完整图示。

  仪表通信技术

  通常在电子仪表中使用通信技术,来配置仪表内德参数和传送存储的资料到主机。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)。

  一旦采用无线通信埠,设计者就需要采取措施保护仪表的内容。通信软体应具有几个安全级别。例如,首先,软体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资料,允许第三个级别的用户配置仪表内的参数等等。

  有线通信

  电话线

  电话线可能是地球上应用最广的“网路”。电话线最常用于电信通信,因为电话线的入室点通常跟电表很近。水表很可能位于街边,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。

  电话线需要一个固定数据机才能进行通信。嵌入式数据机串列传输速率在1200到56K之间。MCU和嵌入式数据机间的界面是一个简单的序列埠和一些状态和控制线。嵌入式数据机通常使用标准AT命令集通信,该命令集可以很方便地安装在MUC上。诸如TDKSemiconductor、Secom、Zoom和Wintec公司都提供数据机模组和分立的数据机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数据机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,所以数据机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)。

  DsPIC30F系列器件实现的软数据机方案,其DsPICDEM.net开发板提供了一个基本平台,用于开发和评估软数据机的Iinternet连接方案,该数据机采用的是DsPIC30F601416位元数位信号控制器。

  (2)传输线

  本技术采用交流传输线作为通信介质。传输线通信模组通常位于电表内,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资料传说要通过交流变压器,该变压器用于将传输线上极高电压降到240V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资料的技术非常重要,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杂讯,数据机必须能在这种环境中可靠地传输资料。

  传输线通信要求基础实设施能收集从室内传送过来的资料,通常是流经变压器的资料流程。

  这些收集“站”一般通过电话线将数据传回到资料存储设备。受将受限制,传输线数据机尚未成为主流技术,但AMTeach、HuntTechnologies和DCSI/TWACS公司都提供了基于该技术的解决方案。

  Wi-Fi技术也属于有线技术,因为它需要一个类似于有线以太网的网路来连接和传输资料。不过这些有线技术(如电线数据机和以太网等)都没有用于仪表,主要是因为他们需要业主订购服务并需要安装额外的配线。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0812/article_12712.html
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