CN100492027C - 一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置 - Google Patents

一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置，该装置包括I2S发送模块、处理器和数字存储卡，所述I2S发送模块接收电能计量芯片输入的数据，将所述数据转换为I2S格式的串行码流，并输出到处理器；所述处理器包括数字存储卡控制器和I2S接收模块，所述I2S接收模块接收所述I2S发送模块输入的串行码流，由所述处理器通过所述数字存储卡控制器保存到所述数字存储卡；所述I2S发送模块和I2S接收模块的数据长度及控制信号的频率根据电能计量芯片输出码率的变化而相应改变。使用本发明实现了电能计量芯片数据的长时间独立采集和存储，且本发明实现简单，可扩展性好，价格低廉。

Description

一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置
技术领域
本发明涉及数据采集和存储技术，具体涉及一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电子式电能表因其具有多功能、智能化的优点，得到了广泛的应用。
图1所示为电能计量芯片的系统结构图。参见图1，电能计量芯片由放大器、模数转换、抽取滤波、乘法器和数频转换组成。电流经接入零线的取样电阻生成差分信号V_I+和V_I-，电压经接入火线的分压电阻生成差分信号V_V+和V_V-；这些差分信号经放大器放大后，由模数变换转换成数字的1比特(BIT)码流；经抽取滤波器后变为并行数据；电压路和电流路的并行数据在乘法器中相乘生成功率数据；功率数据输入数频转换后，以一定频率的脉冲形式输出，功率值大时，输出的脉冲频率高，功率值小时，输出的脉冲频率低；输出的脉冲送到芯片外的计数器进行计数，从而实现电能的计量。
为了定位影响电能计量芯片计量精度的因素，需要将模数变换输出的1比特码流实时采集并存储，并将采集的数据输入计算机，利用抽取滤波、乘法器和数频转换三大模块的理想模型进行仿真和数据分析。如果仿真结果达到了要求的计量精度，则其计量精度的影响因素不在模拟电路及模数变换部分，而在抽取滤波、乘法器和数频转换部分；如果仿真结果没有达到要求的计量精度，则其模拟电路及模数变换部分存在影响计量精度的因素。
在小电流情况下，电能计量芯片的功率数据对应的脉冲频率较低，需要对电能计量芯片做长时间采集，才能通过理想模型得到计数值，并对该值进行数据分析，进而定位影响电能计量芯片计量精度的因素。
现有的实时采集存储装置，包括接口模块、处理器、存储器和PC机，其中，接口模块接收采集的数据，传输到处理器，由处理器通过存储器，将采集的数据传输到PC机。这种实时采集存储装置的存储器主要用作缓冲器，即将采集的数据通过该缓冲器传输到PC机。脱离PC机单独用于数据采集存储时，存储容量有限，不适用于电能计量芯片的长时间数据采集存储；与PC机联机使用实现采集存储功能时，又占用了PC机大量资源，也不适合用于电能计量芯片数据的长时间采集存储。
图2所示即为一种现有的1BIT码流实时采集与存储装置。参见图2，电能计量芯片模数变换输出的电流路1BIT码流和电压路1BIT码流输入逻辑分析仪进行采集和存储，采集完成后，将采集到的数据通过串口、磁盘等方式传到计算机上，然后做仿真和数据分析。但是，现有的逻辑分析仪主要用于高速采集，其存储容量有限，通常小于1Mbits，不能做长时间采集，否则会导致数据丢失，从而使结果出现差错。如果选择存储容量大的逻辑分析仪，其成本又太高，也不适合用于电能计量芯片的实时采集存储。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置，实现对电能计量芯片数据的长时间独立采集并存储。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置，包括I2S发送模块、处理器和数字存储卡，
所述I2S发送模块接收电能计量芯片输入的数据，将所述数据转换为I2S格式的串行码流，并输出到处理器；
所述处理器包括数字存储卡控制器和I2S接收模块，所述I2S接收模块接收所述I2S发送模块输入的串行码流，由所述处理器通过所述数字存储卡控制器保存到所述数字存储卡，。
所述I2S发送模块和I2S接收模块的数据长度及控制信号的频率根据电能计量芯片输出码率的变化而相应改变。
所述接口模块由可编程逻辑阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD实现。
该装置进一步包括串并转换，所述串并转换用于将输入的电能计量芯片的串行数据转换为并行数据，并输出到所述I2S发送模块。
所述数字存储卡为安全数据存储SD卡、多媒体消息存储MMC卡或压缩闪存CF卡。
该装置进一步包括通用串行总线USB接口模块，所述处理器进一步用于通过数字存储卡控制器读取所述数字存储卡内的数据，并通过所述USB接口模块输出到外部设备。
由以上技术方案可见，本发明所提供的用于电能计量芯片的实时采集存储装置，利用接口模块采集电能计量芯片的数据，由处理器保存到数字存储卡中。在数据采集完成后，由处理器通过数字存储卡控制器将数字存储卡中的数据读出，通过USB接口传输到PC机，或由PC机通过实时采集存储装置以外的读卡器读取数字存储卡中的数据。使得用于电能计量芯片的实时采集存储装置能够存储大量的采集数据，并脱离PC机单独完成采集存储功能，实现了电能计量芯片数据的长时间独立采集并存储，减小了对PC机资源的占用。同时，本发明使用数字存储卡作为采集数据的存储器，实现了可移动存储。
其次，本发明实施例中的接口模块由可编程逻辑阵列实现，其数据长度和控制信号可根据电能计量芯片输出码率的变化而相应改变，因此本发明可适用于不同码率输出的电能计量芯片。
最后，本发明可编程逻辑阵列和处理器系统板的设计与调试都很简单，且价格低廉，使得本发明实现简单，比起昂贵的逻辑分析仪来说，成本也很低廉。如果需要增加采集时间，只需要增加数字存储卡的容量，使得本发明提供的装置有较好的可扩展性。
附图说明
图1为电能计量芯片的系统结构图；
图2为现有的用于电能计量芯片单比特码流采集与存储装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中的用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图；
图4本发明实施例一用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图；
图5本发明电能计量芯片采集完成后将数字存储卡中的数据读出的结构示意图；
图6为图4所示I2S的时序图；
图7为本发明实施例二用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图；
图8为本发明实施例三用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
图3为本发明实施例中的用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图。参见图3，该装置包括接口模块、处理器和数字存储卡。
其中，接口模块接收电能计量芯片输入的数据，输出到处理器。
处理器包括数字存储卡控制器和具有与接口模块对应接口的接收模块，
接收模块接收接口模块输入的数据，由处理器通过数字存储卡控制器保存到数字存储卡。
数字存储卡接收处理器的数字存储卡控制器输入的数据。
该装置进一步包括通用串行总线(USB)接口模块，在电能计量芯片采集完成后，由处理器通过数字存储卡控制器将数字存储卡中的采集的数据读出，并通过该USB接口模块将数据传输到PC机，由PC机进行数据的仿真和分析。
其中的接口模块可以为串行接口模块或并行接口模块，串行接口模块可以为I2C(Inter-Integrated Circuit)接口模块、串行外围接口(SPI，SerialPeripheral Interface)模块，I2S(Inter-IC Sound)接口模块或由串并转换和I2S接口模块组合的模块等。当然，采用不同的接口模块时，处理器内也相应的采用具有与接口模块相同接口类型的接收模块。
该接口模块由可编程逻辑阵列实现，其数据长度和控制信号的频率根据电能计量芯片输出码率的变化而相应改变。处理器中接收模块的数据长度和控制信号频率也可利用软件编程改变，使其能够根据电能计量芯片的输入码率而改变。
以下以三个实施例对本发明用于电能计量芯片的实时采集存储装置进行详细介绍。
实施例一：
本实施例中，接口模块为串并转换和I2S发送模块组合的模块，由可编程逻辑阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)实现；处理器中的接收模块为I2S接收模块。
图4为本发明实施例一用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图。参见图4，该装置主要由串并转换、I2S发送模块、处理器和数字存储卡组成。其中，串并转换、I2S发送模块、处理器和数字存储卡组成实时采集存储模块。其中，处理器包括I2S接收模块、中央处理单元(CPU)和数字存储卡控制器。
在图4中，电能计量芯片输入的电流路单比特码流和电压路单比特码流经串并转换后，由串行数据转换为并行数据；并行数据输入到I2S发送模块，以I2S格式的串行码流从I2S发送模块输出，由处理器中的I2S接收模块在CPU的控制下接收，并由处理器的CPU读取I2S接收模块接收到的采集数据，控制数字存储卡控制器保存到数字存储卡。在采集完成后，将数字存储卡从实时采集存储装置取出，通过读卡器将采集的数据传输到PC机，由PC机做仿真和数据分析，如图5所示。
I2S是一种用于立体声音频和系统之间接口的传输协议，I2S发送模块和处理器中的I2S接收模块之间需要三根传输线，分别是数据传输同步时钟(SCK)、声道选择(WS)和串行数据传输线(SD)。
其中，SCK是I2S发送模块和I2S接收模块内的同步信号；WS是声道选择线，表明了数据发送端所选择的声道，当WS＝0时，表示选择左声道，如在本实施例中可以输出电流路单比特码流；WS＝1时，表示选择右声道，如在本实施例中可以输出电压路单比特码流；SD是串行数据的传输线，串行数据在I2S中以二进制补码的形式在SD数据线中传输，如在本实施例中，SD为在WS的控制下交替输出的电流路单比特码流和电压路单比特码流。
SCK和WS为I2S发送模块和I2S接收模块之间数据传输的控制信号，可以由I2S发送模块产生，也可以由I2S接收模块产生。I2S的基本传输时序如图6所示。参见图6，电流路单比特码流和电压路单比特码流在控制信号WS和SCK的控制下交替输出。
实施例一中，在与电能计量芯片输入数据的码率相对应的SCK和WS控制下，I2S发送模块将接收到的电流路和电压路串并转换输出的并行数据，以I2S格式串行码流的形式输出，经处理器的I2S接收模块接收，并由CPU接收，在CPU的控制下通过数字存储卡控制器保存到数字存储卡。
本实施例中，串并转换和I2S发送模块由FPGA/CPLD实现，其中的数据长度、SCK频率和WS频率可调，当电能计量芯片输入数据的码率改变时，可以通过调节串并转换和I2S发送模块的数据长度及SCK的频率来适应输入数据的码率，也可以通过改变WS的频率来适应输入数据的码率。如数据长度可以为8位、16位、32位等，SCK频率可以为与可能的输入数据的码率相同的频率。例如，输入码率为1Mbps(bits per second)，数据长度为16位，对应的SCK频率为1MHz，WS频率为1/32MHz，当输入码率改变为2Mbps时，对应的SCK频率为2MHz，此时若数据长度不变，仍为16位，则对应的WS频率为2/32MHz；若数据长度调为32位，则对应的WS频率不变为2/64＝1/32MHz。
实施例二：
本实施例中，接口模块为I2S发送模块，处理器包括I2S接收模块
如果电能计量芯片使用的模数转换输出的数据为并行数据，则用于电能计量芯片的实时采集存储装置如图7所示。参见图7，电能计量芯片模数转换输出的并行数据直接输入到I2S发送模块。其随后的工作原理与实施例一中的装置相同，在此不再赘述。
本实施例中，I2S发送模块也由可编程逻辑阵列FPGA/CPLD实现其数据长度和控制信号的频率可调，适应不同码率的电能计量芯片模数转换输出并行数据的过程，与实施例一中相同。
实施例三：
图8所示为本发明实施例三用于电能计量芯片的实时采集存储装置的结构示意图，参见图8，与前两个实施例所不同的是，本实施例中所述用于电能计量芯片的实时采集存储装置还包括USB接口模块。所述处理器通过数字存储卡控制器读取数字存储卡内存储的采集数据，并通过所述USB接口模块传输到PC机。
本发明的处理器可以为包括接收模块和数字存储卡控制器的任一片上系统(SOC)或嵌入式处理器。
本发明的数字存储卡可以为安全数据存储(SD)卡．多媒体消息存储(MMC)卡或压缩闪存(CF)卡。读卡器为数字存储卡的专用读卡设备，如公知的具有USB接口的读卡器。
由上述实施例的具体实施方式可见，本发明所提供的一种用于电能计量芯片的采集存储装置，通过接口模块接收电能计量芯片输入的数据，由处理器保存到数字存储卡，实现了对电能计量芯片数据的独立长时间采集和存储。采集完成后，可以由带有USB接口模块的采集存储装置将数据直接传输到PC机，还可以将数字存储卡取出，通过独立于采集存储装置的读卡器将数字存储卡中的采集数据传输到PC机，由PC机进行仿真和数据分析。???同时，随着输入码率的改变，可以通过调节可编程逻辑阵列中各模块的数据长度和控制信号的频率来适应。且本发明提供的装置实现简单，可扩展性好，成本低廉。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种用于电能计量芯片的实时采集存储装置，其特征在于，该装置包括I2S发送模块、处理器和数字存储卡，
所述I2S发送模块接收电能计量芯片输入的数据，将所述数据转换为I2S格式的串行码流，并输出到处理器；
所述处理器包括数字存储卡控制器和I2S接收模块，所述I2S接收模块接收所述I2S发送模块输入的串行码流，由所述处理器通过所述数字存储卡控制器保存到所述数字存储卡；
所述I2S发送模块和I2S接收模块的数据长度及控制信号的频率根据电能计量芯片输出码率的变化而相应改变。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述I2S发送模块由可编程逻辑阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD实现。
3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括串并转换，所述串并转换用于将输入的电能计量芯片的串行数据转换为并行数据，并输出到所述I2S发送模块。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字存储卡为安全数据存储SD卡、多媒体消息存储MMC卡或压缩闪存CF卡。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括通用串行总线USB接口模块，所述处理器进一步用于通过数字存储卡控制器读取所述数字存储卡内的数据，并通过所述USB接口模块输出到外部设备。
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