電子式公用儀錶與目前使用的傳統機械式和機電式儀錶解決方案相比，具有很多優勢。無論是天然瓦斯量表、水錶、熱量錶，還是電錶，都可以利用電子儀錶的某些或全部特性：

電子式儀錶的設計不一定要採用複雜的實現方式。在本文所介紹的實例中，藉由微控制器（MCU）的脈衝計數器可以大大簡化各類儀錶的實現。圖一即顯示出微控制器中一個典型計數器的結構圖。

《圖一　使用外部時脈輸入的MCU 8或16bit計時器》 - BigPic:566x91

準確度更高

儀錶是根據測量準確度進行分類的。例如，一個機械式儀錶的典型準確度是2％左右。相比之下，一個普通的電子式儀錶可以達到0.2％的測量準確度。如果在儀錶設計中使用MCU，那麼就能夠通過改變軟體參數來調節測量準確度。這樣，只需開發一個硬體平台就可以支援多種等級測量準確度，因此可使儀錶生產商簡化生產流程，且可為安裝儀錶的公用事業公司帶來良好的規模經濟。

校準容易

典型的機械式儀錶包含很多可動的零件。隨著使用時間的延長，這些零件可能需要重新調校，才能使儀錶恢復正常狀態。調校時通常要把儀錶拆卸下來並返回廠家進行校準，非常的不方便。電子式儀錶由於元件的老化也可能需要校準，但是通過使用MCU中的非揮發性記憶體（EEPROM或者Flash）就可以很方便地儲存或更新校準資訊，甚至可以設計為採用自動校準的方式。

防篡改保護

一般來說，公用儀錶最大的一個問題就是偷竊現象。在很多情況下，篡改儀錶是為了改變測量結果。偷竊問題通常出現在電錶上，而且有著多種形式。根據電錶的類型，某些電儀錶可能被反接而使電量計數遞減而不是遞增。另外，採用鋼鐵材料作旋轉碟片的老式電錶易受磁體的影響，會因此而減慢旋轉的速度，從而引起錯誤的電量測量結果。

可以使用幾個簡單的方法來檢測電子式電錶的篡改和偷竊現象。尤其對於電錶來說，可以檢測到多種“典型”情況，如：

一旦檢測到篡改現象，我們可以對電錶採取多種防範措施。如果電錶控制供電，它可以將負載的供電斷開。另外，如果電錶具有通信機制，還可以通過點亮指示燈或者向公用事業公司發送訊息的方式，提醒發生了偷竊篡改情況。

自動抄表

電子式儀錶最大的一個優勢就是增加了自動抄表（AMR）功能。這樣一來，就不用派專人去現場抄表，從而可大大節省開銷。人工抄表是一種勞動密集型的工作，容易出現人為差錯（甚至是賄賂現象）。由於儀錶安裝在不同的地方，因此人工抄表無論對於用戶還是對於抄表人員來說都是非常不方便的。

目前有幾種技術可以實現電子儀錶的AMR功能，或者改進現有的機械式/機電式儀錶。通過下列幾種方式可以實現電子儀錶的自動抄表和通信：

在某些情況下，僅僅透過與掌上型設備（通過IrDA協定或者RF方式，最遠通信距離可達幾百英尺）通信就可以實現AMR功能。儘管這種方式仍然需要抄表員到各個儀錶安裝現場抄表，但是這種方式能夠確保資料讀取是準確的，並且能夠大大加快抄表過程。此外，ZigBee聯盟正在開發一種測量方案，旨在使水錶、天然瓦斯量表、熱量錶和電錶的生產商之間實現相互合作，通過一種共同的通信媒介發送使用資料。

更高的安全性

隨著測量過程自動化程度的提高，安全資料儲存和通信技術的需求也與日俱增。確保公用事業公司所收集資料的保密性和完整性是非常重要的。這可以通過MCU自身的內部資料EEPROM或者使用加密演算法將資料儲存到儀錶外部的方式來實現。另外儀錶使用資料的安全通信也值得關注。同樣，可以使用幾種加密演算法和溝通協定來確保安全的資料傳輸。

先進的計費方式

電子式儀錶已經可以根據使用時段（Time of Use；TOU）分時計費了。TOU分別設定高峰期（使用率較高）和離峰期（使用率較低）時段。TOU計費有多種好處。首先，如果用戶在離峰期使用，則可以享受較低的價格。其次，由於高峰期時用戶要支付較高的使用價格，TOU計費方式很自然地就在較大程度上降低了高峰期的使用。鋪設新的公用基礎設施的投資是相當高的。TOU計費有助於分流高峰期的使用需求，在用戶需求不斷增長的情況下保持一種穩定的容量。要想實現TOU計費，儀錶內部需要設置即時時鐘和日曆（Real Time Clock and Calendar；RTCC），全天跟蹤用戶的使用情況。電子儀錶通過軟體或者使用外部設備很容易實現RTCC功能。

最新出現的計費方式是預付費。這一功能主要是在電錶中實現的。用戶可以使用磁卡提前購買一定的電量，然後將磁卡插入電錶中，使電錶在一定的時間段內向指定的負載供電。預付費方式降低了公用事業公司計費和抄表的成本，也有助於幫助用戶計畫每月的開支。

所有上述的計費方式都是建立在公用儀錶基本功能基礎之上的。這樣看來儀錶的研發時間似乎要增加了，因為研發包括兩個部分：基本的儀錶功能，以及防篡改、AMR、安全性和計費方式等新增功能。接下來，本文要介紹如何把基本的儀錶設計簡化為一個簡單的脈衝計數器，而將主要工作放在用戶介面的設計上。大部分MCU都能夠通過內部計時器對I/O接腳的外部時脈輸入進行計數。某些MCU的計時器能夠在低功耗模式下進行計數，而當計時器溢位時喚醒元件。這種功能非常靈活，因為天然瓦斯量表、水錶和熱量錶可能沒有本地電源，而是採用電池進行供電。

天然瓦斯量表和水錶

天然瓦斯量表和水錶是設計起來最簡單的儀錶。這兩種表都採用機械裝置來測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個旋轉軸（天然瓦斯量表中）或者一個旋轉磁鐵（水錶中）。圖二給出了天然瓦斯量表的結構框圖。天然瓦斯量表的輸出軸上有一個帶槽的圓盤和一個能夠輸出脈衝電流的反光器。每個脈衝表示一定量的氣流。水錶內部通常採用旋轉磁鐵和霍爾效應感測器，每當磁鐵通過的時候，這種感測器就能夠產生輸出脈衝。天然瓦斯量表和水錶的脈衝流都可以連接到MCU內部計數器的時脈輸入端。

《圖二　天然瓦斯量表結構圖》

天然瓦斯量表和水錶設計中的一大挑戰就是它們附近一般都沒有交流電源。這意味著必須用電池或太陽能供電。太陽能電池十分昂貴，會額外增加安裝儀錶的機械成本。本文的設計方案採用一個低功耗MCU，它能夠對脈衝進行計數，週期性地將資料保存到非揮發性記憶體中，每月上傳一次計費資訊。圖二給出的實例中採用了Microchip公司的PIC16F9xx系列MCU。這一系列的MCU具有4～8KB的Flash程式記憶體、最多336位元組的RAM、256位元組的資料EEPROM，內建8MHz的震盪器、10位元的A/D轉換器，具有I2C、SPI和USART介面，28～64個接腳，能夠驅動顯示168個LCD節點。這些功能再加上低功耗特性（休眠模式下典型電流0.5uA，1MHz下典型電流為190uA）使得這種MCU十分適用於採用電池供電的天然瓦斯量表和水錶。

熱量錶

不同用戶所居住的地區和國家的供熱方式可能不同。採用熱水流過暖氣片進行供熱是比較常見的方式。熱量錶的結構比天然瓦斯量表或水錶略微複雜一些，因為熱力學計算熱量的方式涉及溫度和流量。熱量錶要同時測量暖氣片入口和出口的溫度，還要測量水流通過暖氣片的流速。根據這些測量結果，MCU再根據熱力學公式計算出熱能使用量。圖三顯示了一個熱量錶的實例。

《圖三　熱量錶結構圖》

為了降低熱量錶的成本，我們可以採用MCU來校準和調節溫度感測器。溫度感測器通常採用RTD（電阻式溫度檢測器）或類似的元件，它們能夠浸泡在液體中工作。MCU中可以保存一個校準表，用於把感測器的類比輸出量轉換為線性的溫度值。熱量錶中使用的流速表與水錶中的類似，也會產生輸出脈衝。

熱量錶的設計還有另外一個挑戰是天然瓦斯量表和水錶沒有的。熱量錶都是安裝在用戶住宅內的，不像天然瓦斯量表和水錶可以安裝在戶外。沒有AMR功能，抄表員記錄熱能使用量時必須有用戶在家裏配合。基於MCU的熱量錶很容易實現RF功能，即使用戶不在家也可以進行抄表。圖三中的實例也採用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性並內建了LCD模組。

電錶

電子儀錶中最令人關注的焦點可能是電錶。在發展中國家中，竊電問題始終都是促使人們研製電子式電錶的最主要原因。因為不但電錶會被篡改以減少其顯示的用電量，而且抄表員也容易因為接受用戶的賄賂而篡改抄表資料。所以，具備自動抄表功能的電子式電錶能夠大大減少公用事業公司損失的收入。

電錶設計中的最大挑戰是需要精確記錄用電量。如前所述，某些生產商要求高達0.2％的準確度。電錶還必須能夠處理大型的電感負載，例如電冰箱、HVAC（冷暖空調）、洗衣機和乾衣機之類的電器。因此，對於設計人員來說採用MCU或者分離元件是最佳的設計方案。慶幸的是，有些生產商同時提供了兩種類型的電錶。為了簡化設計，分離式設計提供了負載和電源介面，採用測量引擎測量電流和電壓並計算用電量，使用簡單的脈衝輸出方式。圖四所顯示的實例中使用PIC16F9XX元件作為MCU，採用Microchip公司的MCP3905元件以測量用電量。MCP3905的典型準確度為0.1％，具有電源反向指示功能，採用分流電阻測量電流。電能輸出驅動機械式兩相步進電機，但是也可以驅動MCU的計數器輸入。

《圖四　電錶結構圖》

結語

與機械式儀錶相比，電子式儀錶具有小巧、可靠和準確度高的特點，並且能夠採用防篡改電路和方法增加公用事業公司的收入，降低用戶的開銷。採用脈衝計數的電子式儀錶解決方案，如本文的解決方案，能夠大大降低儀錶設計的複雜性。這樣就可以讓設計人員把精力集中在更方便的資料獲取和計費功能的設計上。

…作者Rodger Richey為Microchip高階微控制器架構部門應用經理…