智能型数字电能表硬件结构解析

智能型数字电能表，即内置微处理器的数字电能表的硬件结构可简可繁，以适应不同应用场合的实际需要。其最基本的结构应包括输入电路、采样保持电路、A/D转换电路、RAM、EPROM、微处理器和显示器。复杂的硬件结构还可包括通信接口、监控输出、键盘、日历时钟、读卡电路等。功能较多的智能型数字电能表的硬件结构如图8-27所示。下面我们简单介绍一下各部分的功能。

图8-27　智能型数字电能表的结构图

1.微处理器（CPU）

微处理器是仪表的核心，它根据编制的程序完成数据传送、各种数学计算等功能。目前被广泛应用的是8位CPU（例如MCS—51系列单片机），对一般智能仪表均能满足要求，但对某些实时控制、信号处理等要求较高的精度或速度时，常采用16位（如MCS—96系列）或32位的CPU。目前CPU的品种繁多，选择合适的CPU对降低仪表造价、简化硬件结构是至关重要的。例如美国Microchip公司的8位PIC系列产品具有实用、低价、省电和高速等特点，但其最主要的特点是具有一次烧结的低价位OPT芯片，其中PIC16C71单片机内部集成了四路模拟量输入、采样保持、8位A/D转换器，1k程序空间、36字节通用RAM，其A/D转换在20μs内即可完成；而且PIC16C84单片机内存有64字节EEPRAM型数据存储器。

2.RAM

RAM是数据存储区，CPU可以将数据写入RAM，也可以从RAM中读出。

3.EPROM

EPROM是程序存储区，把事先编制好的程序用专用设备固化在EPROM中，CPU只能从其中读，但不能在里面写。

4.日历时钟

日历时钟给CPU提供准确的年、月、日、时、分、秒。如DALLAS公司的DS12887时钟芯片。

5.显示器

显示器一般使用液晶LCD显示屏或数码管LED显示块。在它上面可显示总累计电量、累计峰电量、累计平电量、累计谷电量等数据。

6.通信接口

通过通信接口可将表内数据通过专用通信线、电话线、电力线等传给上级用电管理部门，用电管理部门也可对该表进行远程参数设置、负荷控制等。另外一种工作方式是通信接口以远红外方式与抄表器通信，实现自动抄表。

7.键盘

通过键盘可实现时钟较时，计费平、峰、谷时段划分等功能。(www.xing528.com)

8.监控输出

当电卡电量快用尽时，发报警信号。当超功率运行时间大于给定延时时，给出跳闸信号。还可实现过电流（过载）保护跳闸。

9.读卡装置

对预付费电表，CPU可通过读卡装置对电卡（又称智慧卡或IC卡）或磁卡进行读写，实现先买电、后用电的电费预付制。

10.输入电路

模拟电压经幅值衰减送多路开关，电流经幅值衰减和电流/电压转换送入多路开关。

11.多路开关

多路开关又称多路模拟电子开关，它有多个信号输入端以及一个信号输出端，它根据CPU给定的地址选择信号，将多个输入信号中与地址信号相对应的一路输入作为输出信号。

12.A/D转换

A/D转换器将模拟量变换成数字量，以便CPU进行数字量处理。A/D转换器的原理在本章第二节已介绍过。

13.采样保持

数字式仪表只能处理数字量，所以必须把模拟量变成数字量，但是在转换过程中应保证被测电压不变，因此测量一个随时间变化的电压时，应把要测量的瞬间电压暂时寄存起来以供A/D进行转换，寄存的时间必须大于A/D转换的时间，完成寄存电压瞬间值的器件叫采样保持器。采样保持器有分立元件的，也有单片集成的。单片集成式采样保持器常见的有LF198、AD582、AD583及SHA系列等。下面对采样保持器的工作原理作进一步的说明。

采样保持器的电路原理如图8-28（a）所示，它由一个电子模拟开关S和保持电容Ch以及阻抗变换器Ⅰ、Ⅱ组成。开关S的闭合与断开受CPU发出的逻辑电平控制。当逻辑电平为采样电平时，S闭合，电路处于采样状态，经很短时间（捕捉时间）Ch迅速充电或放电到输入电压ui，随后电容电压随ui变化，故整个采样时间应大于捕捉时间。当逻辑电平为保持电平时，S断开，电路处于保持状态，Ch上将保持S断开时的电压。当电容Ch为定值时，采样时间越短越好，即采样回路的时间常数要小，故用阻抗变换器Ⅰ，因其输出阻抗极小，同时在保持时间里为使电容Ch上的电压尽量保持不变，保持回路时间常数要大，故用阻抗变换器Ⅱ，其输入阻抗很高。实际上，采样保持器的采样时间很小，但不能为零。图8-28（b）示出了实际采样保持器的工作波形。

图8-28　交流信号的采样与保持

（a）电路原理；（b）工作波形