當然，成本必然是電錶製造商最關切的問題。從機械式升級到電子式電錶不僅能夠降低設計成本和提供更先進的自動讀錶功能，電子元件的高階整合還能協助廠商以更具吸引力的價格提供更有彈性的解決方案。(圖一)就是整合電子式電錶與單晶片解決方案。如圖一所示，電子式電錶的功能主要由幾個元件提供。

《圖一　整合電子式電錶元件與單晶片自動讀錶解決方案》

微控制器是電子式電錶的核心元件，負責控制所有的用電記錄功能，包括測量和控制類比前端的電流和電壓、計算電力和用電量，並顯示資訊讓使用者一目瞭然。

除此之外，世界各國採用的新抄錶方式也促使廠商發展新設計、進而發展自動讀錶等更高階功能。自動讀錶功能可替電力公司節省成本，因為他們不必再每月派員抄錶。另外，這些功能還能提供更多電費計算和付費方式供消費者選擇。

常見的自動讀錶設計

自動讀錶設計支援電錶、電力公司、用戶之間的各種資訊傳遞方式。(圖二)顯示幾種較常見的自動讀錶設計，這些設計都能透過半導體的整合進一步簡化。圖二採用新電錶設計時，用戶端看到的電錶連接到家裡主要電力線路的液晶螢幕。

《圖二　採用電子式電錶整合的自動讀錶設計》

除了電錶本身外，它還需要一條通訊路徑將資訊傳給建立自動讀錶連線的電力公司。在最簡單的狀況下，這個通訊路徑可透過人員執行，亦即由電力公司直接派員到用戶家裡抄錶。

雖然電力公司人員能直接讀取液晶螢幕上的度數，但較常見的方法還是透過技術人員的讀錶器和電錶之間的數位連線取得資訊。在電氣隔離與環境隔離的考量下，紅外線通訊是常用的方法。讀錶器很像是雙向電視遙控器，它能自動由電錶讀取計費資訊、並執行電錶診斷和軟體更新。

電力公司還能直接使用讀錶器與電錶之間的遠距連線讀取度數，這樣就不必派員到用戶所在地點抄錶。透過類似電腦數據機的連線技術，這種具備自動讀錶功能的電錶會將數位資料回送到電力線路，然後由一個集中地點接收這些資料以供電力公司使用。

隨著無線通訊技術進步，IEEE 802.15.4等標準已經為無線傳送和接收資料的彈性電錶網路開啟大門。無線通訊平台必須提供安全的通道，這種通訊方式才有可行性；只要確定安全無虞，無線電錶就能組成動態的網格網路（mesh network），其中每個電錶都會與距離最近的電錶進行通訊，透過這種漣波效應把用電量和用電狀態資訊傳回電力公司。

自動讀錶不一定要透過電錶和電路公司之間的通訊線路。在某些應用中，電錶可藉由讀卡機技術啟動，讓客戶享有某種預付式電錶服務：客戶可預先向電力公司購買電力，然後透過信用卡將儲值點數輸入電錶。

電子式電錶的基本優勢之一是它能在最新的半導體技術協助下把所有必要功能整合為一顆晶片，例如德州儀器（TI）的超低耗電微控制器。這顆元件的核心是一個高效率且低耗電的16位元處理器，處理器週圍則是用電記錄功能所需的電路以及自動讀錶功能的輔助電路，其中很重要的一部份就是負責精確測量電力的類比前端電路。(圖三)是電子電錶微控制器的用電記錄架構和類比前端。

獨立輸入

《圖三　類比前端架構，顯示三組獨立的類比數位轉換輸入過程》

(圖三)是三組獨立的類比數位轉換輸入，用以測量輸入電力。在這三組輸入中，有兩組用於線電流和線電壓的測量。第三組則是依整個電錶架構而設定的選用性輸入，可用來偵測電錶是否被竄改。

電力度數處理器基本上是一個固定功能的處理器，負責所有關於實際用電記錄的工作，包括峰值和均方根值的電流／電壓測量、主動式功率、視在功率及無效功率的計算、電力線路的電壓頻率監測，以及電錶竄改偵測。這些資料都會透過一個可同時存取資訊的共享記憶體架構回傳至中央處理器。

在整合度較低的系統中，微控制器的中央處理單元通常負責控制類比前端和執行所有必要的電力度數計算。整合式電力度數處理器則能分擔類比前端、用電記錄和計算工作，使得中央處理單元有更多時間執行高階顯示和自動讀錶通訊功能。在元件的整合功能之外，類比前端的三通道架構提供一套與許多電力線路界面相容的用電記錄解決方案。這個三通道類比設計可支援常見的兩線和三線式單相電錶。(圖四)即為兩線式單相設計的市電線路。

《圖四　三組獨立通道讓兩線式單相線路和竄改偵測電路的設計更簡單》

這個例子採用比流器測量進入家庭負載的線電流，而它也支援另一種利用分流電阻的做法。線電壓則是由簡單的電阻分壓器直接測量。類比前端的一項重要特色是它能讓輸入的電壓降至整合式微控制器的地電位（ground level）以下。

第三個通道可視應用需進行竄改偵測。竄改偵測輸入通常使用分流電阻以降低成本，它會監測中性線（neutral connection）的電流，如果該電流與線電流出現差異就表示線路有問題，可能遭到竄改。

雖然世界許多地方都採用兩線式線路，但美國為了同時提供120V和240V的電壓給家庭使用，仍然以(圖五)所示的三線單相線路做為標準供電線路。

《圖五　三線單相線路是由兩條火線組成，它是美國的標準供電線路。》

三線標準

相較於只有一條火線和一條中性線的兩線式線路，三線標準是由兩條火線，L1和L2組成，它們相對於中性線的電壓各為120V，彼此之間則為180度反相。這能為負載提供兩組120V電源分路和一組240V電源分路。除此之外，由於中性線不需要通過電錶，因此也不需第三條連接線路。

假設120V線路處於平衡狀態，電錶只需如圖所示透過耦合比流器監測L1和L2電流總值以及240V電壓輸入。耦合比流器會把兩個線電流加在一起，這樣就能正確記錄所有負載的用電總量。

單相電錶表面上似乎不需要三組獨立通道，但若沒有三組通道，就不太容易設計圖四所示的竄改偵測功能－竄改偵測是中國大陸和印度等國所需要的重要功能。而美國和其它不需要這項功能的國家就只需要兩組通道。

電子式電錶提供自動讀錶功能的主要原因是為了將用電資料自動傳回電力公司，以便提高鈔錶和收費效率，然而這個通訊路徑不可能永遠是單向路徑。隨著許多先進的電錶功能被整合進電錶設計，電力公司通常還須將資料傳送到電錶，這使得電錶設計和處理器工作管理變得更複雜。

日益升高的電力網路峰值負載使得電力基礎設施的負擔越來越大，因此政府和電力公司正在制定和實施新措施來減少峰值用電量，同時把需求分散到不同的時段。電子式電錶正是這類功能的核心，它不僅需要測量電力，還必須支援各種不同的自動讀錶和先進的用電記錄技術。

透過更高的類比和數位功能整合（例如多個16位元Δ-Σ類比數位轉換器和可程式增益放大器、專用的電力度數處理引擎、低耗電16位元處理器和彈性的通訊週邊），新的電錶設計將為製造商、電力公司和消費者帶來更多先進的功能。這種整合式電子電錶設計使得自動讀錶技術的整合比以前更容易，包含簡單紅外線、無線網路和有線通訊在內的各種電錶通訊機制設計，也因為架構與整合度的進步而變得更容易。（作者為TI德州儀器MSP430微處理器應用工程師）