作者：Ben Smith

        如今用户电表正逐渐朝着多费率、多功能和高精度方向发展。本文详细描述了一种新型单片电表微控制器的功能和应用特性，它将使多功能、多费率电表设计更加简单和可靠，实现更加高效的电能传送，最终有效提高电表生产和制造效率。

        传统的机械式电表存在一定的局限性，首先，它是一个机械装置。尽管经历一个多世纪后人们已能够制造非常可靠的机械式千瓦时电表，但机械装置的精度还是容易受磨损、震动及其它导致位移事件的影响。

        另外一个限制是机械电表不能够记录时间，只记录费拉斯轮的旋转数，无法记录与之相对应的快速旋转和慢速旋转的时间。根据实际经验我们知道用户的用电需求不是一成不变的，白天的用电需求远远大于夜晚的需求。特别是在夏季，因为空调的大量用电需求而导致下午和傍晚的用电量激增。电力公司必须保证供电系统能够输送峰值电能等于或高于用户的峰值用电需求。这意味着在非峰值用电时间，发电机工作在轻负荷状态。由于电能不可以存储，因此势必造成重大的资源浪费。基于这个原因，电力公司希望采用一些奖励措施来平衡峰值电量需求和谷值电量需求。最好的方法当然是采用不同的峰值和谷值电价。机械式电表由于不能记录时间，因而无法满足这一要求。

        第三个局限性就是传统的机械式电表只能够记录实时有功功率。理想情况下，输入电流和输入电压相位完全一致，电压和电流的乘积就等于实际输出的有功电能。然而，实际情况并非如此，感应电机和荧光灯等用电设备会导致电流相位偏离与之对应的电压相位，只有同相部分的区域才能形成有功功率，不同相部分的区域将会以无功功率形式返回电网，结果实际有用功率小于输入电压和电流的乘积。

        对于大容量的工业用电客户，需要配置相应的无功功率电表实时监测和计量输送给客户的无功功率值。同时，工业客户必须根据合同约定确保一定标准的功率因数。使用多功能电表，电力公司可以轻松扩展功率因数监测范围至小规模商业用户，某些情况下甚至也可以监测小规模居所的功率因数指标。

        最后，机械式电表的抄表计费是一件非常繁琐的工作。人工现场抄表费用昂贵，且容易出错；如果按照不同的价格区间分时计费，那么这个负担就会达到无法接受的程度。因此我们迫切需要采用自动集中抄表方案，以提高工作效率，减少人为误差。

        综合上述因素，可以得出机械式电表具有诸多局限，市场迫切需要一种具有更高灵活性、能够实时测量时间和功率因数，并且具有更高计量精度和自动抄表能力的新型电表：以微控制器为主控制器的全电子式电能表。

        实际上，电表制造厂商自1990年以来就已着手设计数字电能表。现在，新一代的混合信号微控制器使多功能、多费率电表设计更加简单和可靠。

        设计基础

        最基本的多费率、多功能全电子电表所需的基本硬件如下：采集输入电压和输入电流信号的转换器、显示屏、数据通信子系统、非易失存储器、电源以及内嵌程序的微控制器。设计者通常希望将上述大部分功能电路与微控制器集成在一起。以Maxim的单片电表微控制器MAXQ3120为例，它在单一硅片上集成了双路16位模/数转换器(ADC)，分别用于电压和电流信号的采样和转换；两个全功能异步串行通信口(其中一个可以配置为红外通信模式)；一个液晶显示控制器和一个独立的16×16乘法器；另外，芯片上还集成了足够的数据、程序存储器，以满足多费率、多功能电表的复杂要求。

        设计多功能电表软件是一项极具挑战的工作。第一，由于软件定义了该产品的基本功能，不同区域和不同应用环境需要采用不同的应用软件，电表的基本功能会有所差别；第二，虽然采用高级语言(例如 C语言)编程，但电表应用软件仍然需要根据不同的硬件运行环境做相应的定制化配置。电表硬件系统相对于操作软件比较简单，这实际上给电表制造商提供了一个具有较高生产效率的制造方案。因为装载软件是生产过程的最后一个流程，因此我们可以首先开发电表的基础电路板，然后根据最终用户的要求装入不同的应用软件。既可以达到降低、控制制造成本的目的，又可以实现更灵活的管理模式。Maxim提供采用C语言编写的参考设计程序，它能够基于最终用户的需求实现任意功能软件的定制服务。