即兴科普-导轨式电表的内部设计

电表根据应用场景大概分成三种，一种是我们楼道里最常见的壁挂式电表，这是一种居民楼里常用的电表形态。 导轨式电表具有安装简单，占用空间小，因此在一些工厂和写字楼等密集的地方安装使用。第三种数显表一般是三相居多，往往被用在一些大的配电箱中。

今天我们就以导轨表为例，解刨开来看一下其内部的构造和设计细节。

上图是导轨表的一个侧视图，可以从左侧的塑胶卡扣上看得出来，他利用了一个梯形口的造型来保证产品可靠的固定在导轨上。图的右侧中间是屏幕的地方，上下两段分别是电源零火线输入和出处的端子，其中会包括一组用于通信的458总线接口，这点我们后面详细说他的作用。

这个导轨式电表是一个上下结构，打开后是下图这样：

上面三个图片分别展示了拆开电表后的内部结构，同时一个三层PCB结构，其中最上面是一个显示屏面板，第二层是一个通信接口隔离转换的电路板，最下面是电源板，它包含一个变压器，他负责在220V的交流电商取电并将电压将至一定幅度，再通过直流现行稳压器讲电源稳压到5V和3.3V给数字信号系统进行供电。

首先来看一下最下面的电源板

从上图的电源板可以看的出来，导轨式电表的结构设计相当紧凑，这样紧凑的结构设计给线路板的硬件设计带来了一些困难，比如这块板子使用了双面插件的工艺，同时很多相对较高的器件对焊盘存在一些遮挡导致大部分直插件需要手工焊接，在一定程度上给制造商带来一定困难。

其电源拓扑结构很简单，先通过一个变压器将交流电转换成低压的交流电，然后通过一个整流桥进行全波整流，然后将整流后的直流电源直接通过两个线性稳压器转换成数字系统可用的12V和5V。可以从图中看到，其选用的器件是78M05，这类线稳压器具备低成本，应用简单的优点。

再来看看中间这一层的信号转接板，如下图：

信号转接板上的功能也是非常的简单，从可制造性角度来看，这块板子设计师很出色的，基本上是单面原件设计，这样基本保证了一次回流焊+一次波峰焊可以焊接完绝大部分器件，唯一一个压敏电阻硬生生的杵在背面，在单独进行一次手工焊接显得这个设计美中不足。

从电路设计角度，其选用了一个BL3085的485收发器，使用光耦进行信号的隔离。这里之所以电表要对外提供一个485的通信接口，是因为现在远程抄表的需求越来越强烈，而对于导轨表的使用环境而已，它们往往被集中在一个空间中卡在同一个导轨上，因此可以方便的在导轨上再设计一个无线网关，通过485总线的连接将整个空间内的导轨表数据收集到之后，在整体打包通过CAT1模组进行云端上传来实现远程抄表的功能。

最上层的电路板是一个显示板，其实他不是一个简单的显示板，可以说整个电表的核心处理器就设计在这块显示板上。在电表的设计中，往往会选择一些SOC来进行整体方案设计，这相对于使用单独的MCU+电量计来说更简洁，目前国内很多厂商都推出来相应的单芯片解决方案，应用最广泛的当属万高和中颖。

从上图中的显示板可以看出这是一个SOC的设计，中央的处理器是中颖的一颗集成电量计的单芯片方案，左边是一个复旦微的EEPROM（FM24C256）用来存放一些计量数据，EEPROM的上方是一个低频晶振，频率为32768kHz，用来驱动RTC模块进行时间的测量。

电表是一种计量仪器，要想达到计量的目的，首先要保证能够检测到电压电流的大小来计算功率，其次要有一个精确的时钟来对功率进行积分得到能量，也就是瓦时数。上图中的32768kHz的晶振配合主芯片内部的RTC模块就是为了实现精确的时基功能。

那么电压电流是怎么检测的呢？

这款导轨式电表的电压电流采样方案采用的非常巧妙的设计，利用金属材料的电阻特性，在一段导体的两段进行差分电压采样，通过I = U/R，即可获得母线上的电流数据，如下图可以看到，设计中直接在导电的金属材料上冲压出两个引脚，通过引线直接接入到了SOC的电量计模块中，这样一方面解决采样问题，另一方面也避免了单独使用电阻带来的复杂性和电阻的散热问题。

上图中可以看到，黑线和黄线可以采样到交流电的幅值信息，白绿相间的双绞线则是一对差分线，将一段导体两段的电压信号采集后，再换算为电流信号进行能量的计量。

OK，本次的即兴分享先到这里，后续发现有意思的设计再进行解刨和学习，逐渐深入，从设计到制造的角度不断的吸取经验和总结。

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