电子式电表概述

电子式电表是通过电子计量设备，为个人家庭、工业和商用住宅提供用电结算的仪表，原有传统结算仪表使用机电计量设备。除电表外，此项技术也可以用于水表和煤气表，并实现三表合一。电子式电表或自动抄表系统（AMR）可通过无线连接（如ISM RF链路、蜂窝网络等）或有线连接（如电话线或电力线）读取用户的用电量数据。通过高级电表架构（AMI，Advanced Metering Infrastructure），自动抄表系统（AMR）可扩展出更多复杂的应用，如分析和管理系统，与客户端的通信等。

目前在电表中使用的主要网络互联技术包括移动无线电、固定无线电、拨入电话、播出电话、电力线载波通信、宽带以及Internet等。

从图1中可以看出，一个电子式电表的最小系统至少包括了前端模拟部分、电量存储芯片、微控制器、显示设备、实时时钟以及通信接口设备。前端模拟部分是用来进行电量计量，其结果存储在由Flash或EEPROM组成的存储器中。在这个最小系统的基础上，用户可以根据需要增加必要的接口，如网络互联接口UART、USB，以及无线连接的Bluetooth、UWB、ZigBee以及非接触式的智能卡等。此外，还具有逻辑管理和低功耗电源部件。

图1 电子式电表的系统框图（略）

个人家庭中多用单相220电表，电流量较小。小区或家庭中更复杂的电能信息收集则使用单相多功能电表，可实现集中抄表功能。三相电表多用于工业或商业环境，针对380V的三相电压。针对不同的应用需求，NXP公司开发了相应的控制芯片，如LPC931/936和LPC9401/9408用于单相电表中，基于8位微控制器，成本较低。基于低成本ARM7的LPC210x兼有ARM7架构高速度和51微控制器的成本优势，具有丰富的接口，适用于单相多功能电表。而LPC23xx/24xx则适用于三相电表中构造复杂的电表系统。

LPC900系列微控制器采用了80C51内核，主频6倍于标准的51器件，采用3V低功耗工艺，集成可用作EEPROM的1kB~8kB的Flash，页编程/擦除时间为2ms。最大数据EEPROM达到512字节，具有128~768字节的SRAM。同时外设资源丰富，具有实时时钟、看门狗、增强型UART、SPI、I 2 C以及比较/捕获单元，具有10位ADC/DAC，配置了LCD驱动器接口等。它的工作电压为2.4~3.6V。LPC900系列的主要特性是片上集成多种资源，有效降低系统成本，其Flash存储器可扩展，产品以系列划分，便于软件移植。

LPC2000系列ARM7微控制器则具有极高的性价比，采用了ARM7TDMI-S内核，具有三级流水线和冯·诺伊曼架构。LPC2000是主频高达74MHz的高性能处理器，易于使用。芯片采用单电压供电，功耗低，内部集成高速嵌入式Flash，同时具有丰富的外设资源。该芯片属于工业级芯片，工作温度范围为-40℃到85/105℃。NXP公司提供了丰富的开发工具支持，可构建中端三相和高端工业级电表方案。该系列芯片的主要特性是片上集成资源丰富，有效降低系统成本。

以PCF8500系列产品为代表的LCD字段驱动器的主要特性包括范围较宽的字段范围及自动递增寻址的片上RAM等，提供串行I 2 C总线接口以及超低功耗。PCA8563/8565是两款高性价比的I 2 C实时时钟，采用了一流的低功耗设计和易于使用的解决方案，可提供精确计时功能和温度补偿技术。而PCF2128计划于2007年第四季度推出，它具有温度补偿和内置晶振的实时时钟以及SPI/I 2 C总线接口(如图2所示)。

图2 PCF2128实时时钟（略）

NXP器件在电表网络互联中的应用

NXP提供完整的射频解决方案，其中包括高性能的低噪声放大器、灵活的射频切换开关组合、高至2.5GHz的低电压频率合成器以及多选择的射频功率驱动器件。

NXP还提供各种规格的有线接口产品，包括USB、高速USB、USB-OTG、1394等，可用于视频和音频的编解码传输。NXP的蓝牙芯片符合BT1.1、BT1.2标准，采用先进的系统集成封装（SiP）技术，芯片内部集成了逻辑芯片和存储器，有效降低芯片面积，用户仅需最多一个外部器件即可构造蓝牙解决方案。

GSM/GPRS是今年来兴起的电力系统集中抄表通信方式，该技术的实时性强，无时延，可对多个数据点进行串行采集。可远程控制边远设备，建设成本较低，前期投资少，后期维护费用低。同时集抄范围广，凡是GSM/GPRS无线网络覆盖的地区都可以实现抄表设备的控制和管理，可满足偏远山区、乡镇或跨地区的接入需求。系统的传输容量大，数据传送速率高。

非接触式智能电表

非接触式智能表可用于水电煤的非接触式预付费计量方案。它的工作原理是客户从银行、非接触式网络终端或Internet对预付费卡充值，购买的预付值转入非接触式智能卡，预付值从非接触式卡转入非接触式智能电表，用户此时可以进行电力消费，若预付值用完，用户只需重新充值即可。这是一种双赢的解决方案，对客户来说，该技术易于使用，抗环境干扰，由于其无线和非接触性可免除维护，同时具有严格的用量、定时和功耗控制，可提供自动计算用电量和剩余预付值的显示，方便用户对耗电量进行预算。对于电力提供商来说，该方案是一种自管理的非接触式电表系统，其可靠、高效、无需维护，同时具有防窃电和低成本优势，可为不同信用等级的用户提供更优质的服务。

NXP公司的MFRC522提供了RF接口、控制器接口，其RF接口符合ISO/IEC 14443A协议要求，具有Mif are加解密功能，具有高达424k位/秒的数据传输速率，可支持多种非接触式卡。其控制器接口包括1228.8kbps的RS232、3.4Mbps的I 2 C以及10Mbps的SPI接口。芯片工作电压范围为2.5~3.5V，工作电流低至100mA，具有低功耗掉电工作模式，同时提供丰富的软件开发包资源。

在系统方面的优势包括，低功耗、标准非接触式接口、高速率数据传输、高安全性以及低BOM成本等。在设计方面提供小封装、简单快速的设计集成、以及单电压供电和控制器接口能力。

基于NXP产品的电表解决方案

基 于LPC9401的单相复费率电 表方案提供LCD显示功能，防窃电功能以及费率/时间/编程管理，一天内可分为峰、平、谷三种方式，具有日历、计时和自动切换功能，可根据规约实现各种编程。LPC9401系统具有RS485和红外通信功能。

采 用基于ARM7的LPC2103和PCF8566 LCD驱动器，可构建高级的 单相复费率电表方案，具有LCD显示和防窃电功能，在电流反向异常时可发出报警，提供了电力线载波和红外通信方式，可通过电力线监控用户电表的运行状况，并及时进行调整，从而防止异常状态的出现。

总之，NXP面对巨大的电表市场，以卓越的研发能力为客户提供真正的一站式服务。

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问答选编

问：电子式电表与机电式电表相比，有哪些优点？

答：电子式电表与机电式电表相比，精度更准确，计费更容易，使用现代的通讯方式，可以使抄表更加快 捷 方便。

问：在掉电模式下，如何唤醒芯片？

答：可以通过外部中断唤醒芯片。

问：使 用LPC900时，在抗干扰方面有什么特别需要注意的地方？

答：电表中的抗干扰问题，始终是MCU面临的问题。 LPC900或者LPC2000与其他MCU相比，并没有什么特别需要注意的地方。

当然我们可以通过一些常用的措施来避免干扰， 比如：
1.给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源 噪声对单片机的干扰；
2.如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件， 在I/O口与噪声源之间引入隔离；
3.注意晶振布线及电路板的合理分区；
4 .用地线把数 字区与模拟区隔离，分离开数字地与 模拟 地；
5 .单片机和大功率器件的地线 要 单独接地，以减小 相互干扰，大功率器件尽可能放在电路板边缘。

问：LPC23XX系列的片内静态RAM多大？可与USBDMA公用吗？

答：LPC23xx有34K或者54K RAM（不同芯片不同）。其中，8KRAM供USB单独使用。

问 ：LPC23XX系列的工作电压和内核电压分别是多少？

答：工作电压3.0~3.6V，单电源输入。

问：NXP电表技术如何解决来自动力线的干扰?

答：1.动力线与信号线要分离，信号线采用绞合线,以预防磁场耦合和电场耦合的干扰。
2 .硬件上采用光耦,破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，可有效地提高系统的抗干扰能力。

问：LPC9401/LPC2103红外通信接口的工作原理？

答：红 外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用PPM 方 式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序 列 ，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去； 接 收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、 滤 波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进 制数字信号后输出。

简 而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号 进 行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红 外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。

问：RS485主要用于智能电表和哪个模块间的通信？

答：R S485用于组网以供抄表。RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS485接口方便地建立起设设备网络。

问：非 接触式智能电表是否采用RFID技术?所使用的频率是多少?

答：根据客户的选择，可以使用RFID技术，频率也由客户选定。

问：LPC系列内部的实时时钟精度？是否可以采用外部高精度时钟模块？

答：LPC的内部时钟精度为±1%，可以使用外接RTC。

问：利用GSM/GPRS通信的电力系统集中抄表方式，数据传送速率能达到多少？

答：GSM：9600bps；GPRS：115.2Kbps。