CN101387663B - 超低功耗全失压测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低功耗全失压测量装置及测量方法，主要用于电子式电能表用电量的测量，特别是三相电能表用电量的测量，采用MCU内部的模数转换器进行电能计量，在全失压状态下，采用电池供电时，对电流和电压通道进行采样，每相电流信号通过两路不同放大倍数的电路，同时输入至微控制器的ADC输入口且把电流分为两个不同的范围段，当电流处于不同的段时，通过微控制器内部的软件来判断，采用相应的那一路的电流采样数据来进行计量。优点：一是电路结构简单、稳定、可靠；二是超低能耗，能实现全失压测量；三是制造成本低，便于推广应用。

Description

超低功耗全失压测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种超低功耗全失压测量装置及测量方法，主要用于电子式电能表用电量的测量，特别是三相电能表用电量的测量，属电能表电子测量装置制造领域。

背景技术

CN2578837Y、名称“三相电能表”，1、一种三相电能表，其特征是：由三个分流器分别作为三个单相电流取样部件，同时还包括三个单相电压取样部件、三个单相电能计量芯片、六个光辊耦、采集各相电压相位和幅值的电阻分压器和放木器，以及EPLD、CPU、存储器、显示器、通讯接口、按键组成，各相的分流器的电流相位信号输出接口通过光电隔离部件与CPU相连，各相的分流器的电流信号输出接口以及各相的电压取样部件的电压信号输出接口与电能计量芯片相连，电能计量芯片的电能信号输出接口通过光电隔离部件(光藕)与CPU相连，电阻分压器和放大器的电压相位信号、幅值信号的输出接口与EPLD、CPU附相连，CPU连接存储器、显示器、通讯接口、按键。其不足之处：一是电路结构复杂，制作成本高，可靠性差；二是测量精度低，能耗高。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种电路结构简单、制作成本低、性能稳定可靠、测量精度高且能耗超低的超低功耗全失压测量装置及测量方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、本发明采用MSP430系列单片机，是本发明的特征之一。MSP430系列单片机是一款超低功耗，16位RISC架构的单片机，目前有MSP430F1xxx，MSP430F2xxx和MSP430F4xxx等子系列，其中有MSP430F13x、MSP430F14x、MSP430F15x、MSP430F16x、MSP430F43x、MSP430F44x和MSP430FG461x等系列都有ADC12模块，将其用于三相电能表的测量装置中，每相电流信号通过两路不同放大倍数的电路，同时输入微控制器的ADC输入口，这样把电流分为两个不同的范围段。当电流处于不同的段时，通过微控制器内部的软件来判断，采用相应的那一路的电流采样数据来进行计量。使用这种计量方案，采用12bit的ADC可实现0.5级精度的三相电能计量。由于此方案是采用MCU内部的模数转换器，而不是采用MCU+电能计量芯片的方案来进行电能计量的，因此，应用很灵活，可在全失压状态下，采用电池供电时，对电流和电压通道进行采样。

技术方案1：超低功耗全失压测量装置，采用MCU内部的模数转换器进行电能计量，在全失压状态下，采用电池供电时，对电流和电压通道进行采样，每相电流信号通过两路不同放大倍数的电路，同时输入至微控制器的ADC输入口且把电流分为两个不同的范围段，当电流处于不同的段时，通过微控制器内部的软件来判断，采用相应的那一路的电流采样数据来进行计量。

技术方案2：超低功耗全失压测量装置的测量方法，其特征是：(1)在正常工作状态下，MCU处于活动状态，ADC12等各个模块均处于打开状态，ADC12的工作模式为序列通道单次采样模式，由Timer-A的OUT1触发，触发频率为3276.8Hz，当采样次数达到之后，就可计算有功，无功，电压，电流，功率因数和频率等参数；(2)在全失压状态下，MCU绝大部分时间处于低功耗模式，只有时钟，LCD显示的更新及定时打开ADC12测量电压和电流时，MCU启动，同时，ADC12，定时器等模块及可控电源VDD处于关闭状态；(3)定时测量电压，电流的时间间隔一般60秒钟测一次，ADC12的采样频率为3276.8Hz，采样次数为1～2个周波的次数；当ADC12的采样次数到了之后，即可关闭VDD电源，同时MCU进入活动状态，开始计算参数，计算完成后又进入到低功耗模式。

本发明与背景技术相比，一是电路结构简单、稳定、可靠；二是超低能耗，能实现全失压测量；三是制造成本低，便于推广应用。

附图说明

图1是采用MSP430的单芯片的三相电能表方框示意图。

图2是三相多功能电能表电流通道中，其中一相的电流通道的电路图示意图。

图3是三相多功能电能表电流通道中，其中一相的电压通道的电路图示意图。

图4是三相多功能电能表的外部电压检测电路示意图。

图5是三相多功能电能表主程序及中断程序流程图。

图6是三相多功能电能表全失压状态下功耗示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1～6。超低功耗全失压测量装置，采用MCU内部的模数转换器进行电能计量，在全失压状态下，采用电池供电时，对电流和电压通道进行采样，每相电流信号通过两路不同放大倍数的电路，同时输入至微控制器的ADC输入口且把电流分为两个不同的范围段，当电流处于不同的段时，通过微控制器内部的软件来判断，采用相应的那一路的电流采样数据来进行计量。

电流通道由PHASE、电阻R_1～7、电容C₁、二极管D_1～2、电流放大器IC1A～IC2A构成，PHASE的1脚和2脚分别接R₁和C₁两端、D₁正极、D₂的负极及R₂、R₃、R₆的一端至VREF/2，D₂负极接VDD，D₁的正极接地，R₂的另一端接IC1A的同相输入端(第3脚)，R₃的另一端接IC1A的反相输入端(第2脚及R₄的一端，R₄的另一端接ICIA的输出(第1脚)、R₅的一端至1A-HIGH，R₆的另一端接IC2A的同相输入端(第3脚)，R₅的另一端接IC2A的反相输入端(第2脚)和R₇的一端，R₇的另一端接IC2A的输出(第1脚)至1A-LOW。电流通道通过两级运放同时输入到ADC12模拟端口，VREF/2为电流通道的提升电压，由ADC12

的参考电压源提供，VDD为可控电源，由MCU控制它的通断。

电压通道由电阻R_22～28、电容C₅～C₄、二极管D₄～D₅构成，R₂₂的一端接R₂₃的一端，R₂₃的另一端接R₂₄的一端，R₂₄的另一端接R₂₅、R₂₆、R₂₈的一端及D₄负极和D₅的正极，R₂₅的另一端接C₅和C₄一端、D₄的正极及地，C₅和C₄的另一端接R₂₆的另一端及R₂₇的一端，R₂₇的另一端接D5负极及VDD，R₂₈的另一端接VA。

一、MSP430的超低功耗特性：

要实现全失压测量，要求MCU的功耗低，功能强大。MSP430系列单片机是一款超低功耗单片机，具有以下一些特性：

1、工作电压：1.8V-3.6V

2、超低功耗：活动模式：200μA(2.2V，1MHz)

待机模式：1.1μA

关闭模式(RAM保持)：0.1μA

3、5种省电模式：从待机模式唤醒少于6微秒，MSP430F2xxx系列从待机模式唤醒少于1微秒；16位RISC结构，125纳秒指令周期；MSP430F2xxx系列指令周期为62.5纳秒；

4、具有丰富的外围模块：ADC12，

16位定时器Timer_B(7个捕获/比较寄存器)

16位定时器Timer_A(3个捕获/比较寄存器)

两路串行通讯接口：USART0，USART1

硬件乘法器

集成160段LCD驱动

内置模拟比较器Comparator_A

5、上电复位电路，供电电压管理监视模块。

二、三相多功能电表电流通道，电压通道及系统电压监测：

1、图2是其中一相的电流通道的电路图：电流通过两级运放同时输入到ADC12模拟端口，VDD为可控电源，在全失压状态下，可由MCU控制它的通断，VREF/2为电流通道的提升电压，它由ADC12的参考电压源提供。

2、图3为其中一相的电压通道的电路图：三相电压通过电阻网络分压，然后通过电阻接到ADC12的模拟输入端口，VDD为可控电源。

3、图4为外部电压检测电路：系统电压Vsupply通过电阻分压后，连接到比较器的两个输入脚CA0和CA1。当外部断电时，Vsupply开始下降，这样比较器可提前通知系统进入到超低功耗的实时时钟状态。

三、三相多功能电能表工作原理：

在正常工作状态下，MCU处于活动状态，ADC12等各个模块均处于打开状态。

ADC12的工作模式为序列通道单次采样模式，由Timer-A的OUT1触发，触发频率为3276.8Hz。当采样次数达到之后，就可计算有功，无功，电压，电流，功率因数和频率等参数，其计算公式：

$E_{\mathrm{act}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{i}_k$

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k^2}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2}$

$E_{\mathrm{react}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{90k}{i}_k$

$E_{\mathrm{apparent}}=\sqrt{E_{\mathrm{act}}^2+E_{\mathrm{react}}^2}$

在全失压状态下，MCU绝大部分时间处于低功耗模式3，只有时钟，LCD显示的更新及定时打开ADC12测量电压和电流时，MCU才是活动的，同时，ADC12，定时器等模块及可控电源VDD也绝大部分时间处于关闭状态，只有在测量电压和电流时才开启，这样可大大节省功耗。

定时测量电压，电流的时间间隔，可根据具体的需求来确定，一般60秒钟测一次是可以接受的。ADC12的采样频率仍可为3276.8Hz，采样次数可为1-2个周波的次数。

当ADC12的采样次数到了之后，就可关闭VDD电源，同时MCU进入活动状态，开始计算参数，计算完成后又进入到低功耗模式3。上述的计算公式为现有技术，在此不作叙述。

四、全失压状态下的功耗分析：

图7为全失压状态下功耗示意图。

在LPM3模式，3.3V下，电流典型值为：1.6uA，最大值为：1.9uA

LCD驱动：0.8uA

RTC功能：0.03uA

液晶显示器：3.5uA

这样实现实时时钟功能所需要的平均功耗为：1.6uA+0.8uA+0.03uA+3.5uA＝5.93uA在测量期间，所耗电的器件及模块有：

电压通道所需要的电流为：3×3.3V/(10K+15K+0.01K)＝396uA

电流通道的运放所需电流为：2×410uA＝820uA

ADC12模块所需电流为：800uA

ADC12的参考电压REF所需电流为：500uA

CPU工作在3.3V/8MHz所需电流为：(420+175uA/V×(3.3V-3V))×8＝3780uA

在测量的时候，首先需要将电源VDD打开，同时将ADC12的参考电压VREF打开，参考电压及VDD的稳定按最长17ms计算，而在电压稳定期间，CPU可处于LPM3状态。ADC12的采样次数为2个周波131次，时间为40ms，在ADC12采样及转换期间，CPU可处于LPM0模式，这里仍按CPU处于活动模式考虑。

采样完成后，CPU计算所需时间：8298/8388608＝990us

这样，按每60秒测量一次来计算，测量所需的平均功耗为：

[(396uA+820uA+500uA)×(17+40)+3780uA×(40+0.99)]/1000/60＝4.22uA

总的平均功耗为：5.93uA+4.22uA＝10.15uA

一颗1.2Ah的电池，不考虑自放电等因素，可使用的年限为：1.2×1000000uAh/10.15uA/24h/365d＝13.5年。

实施例2：在实施例1的基础上，超低功耗全失压测量装置的测量方法，其特征是：(1)在正常工作状态下，MCU处于活动状态，ADC12等各个模块均处于打开状态，ADC12的工作模式为序列通道单次采样模式，由Timer-A的OUT1触发，触发频率为3276.8Hz，当采样次数达到之后，就可计算有功，无功，电压，电流，功率因数和频率等参数；(2)在全失压状态下，MCU绝大部分时间处于低功耗模式，只有时钟，LCD显示的更新及定时打开ADC12测量电压和电流时，MCU启动，同时，ADC12，定时器等模块及可控电源VDD处于关闭状态；(3)定时测量电压，电流的时间间隔一般60秒钟测一次，ADC12的采样频率为3276.8Hz，采样次数为1～2个周波的次数；当ADC12的采样次数到了之后，即可关闭VDD电源，同时MCU进入活动状态，开始计算参数，计算完成后又进入到低功耗模式。超低功耗全失压测量装置的主程序及中断程序，见附图7。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明，只是对本发明的简单说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内

Claims (4)

1.一种超低功耗全失压测量装置，其特征是：采用微控制器内部的模数转换器ADC12进行电能计量，在全失压状态下，采用电池供电时，对电流和电压通道进行采样，每相电流信号通过两路不同放大倍数的电路，同时输入至微控制器的ADC输入口且把电流分为两个不同的范围段，当电流处于不同的段时，通过微控制器内部的软件来判断，采用相应的那一路的电流采样数据来进行计量；电流通道由电流接口、电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、电容C₁、二极管D₁、D₂、运算放大器IC1A～IC2A构成，电流接口的2脚接R₁、C₁、R₂一端、D₁负极、D₂的正极，电流接口的1脚接R₁、C₁另一端及R₃、R₆的一端及VREF/2，D₂负极接VDD，D₁的正极接地，R₂的另一端接IC1A的同相输入端，R₃的另一端接IC1A的反相输入端及R₄的一端，R₄的另一端接IC1A的输出端、R₅的一端至大电流信号输入通道，R₆的另一端接IC2A的同相输入端，R₅的另一端接IC2A的反相输入端和R₇的一端，R₇的另一端接IC2A的输出至小电流信号输入通道；电流通道通过两级运放同时输入到微控制器内部的模数转换器ADC12模拟端口，VREF/2为电流通道的提升电压，由微控制器内部的模数转换器ADC12的参考电压源提供，VDD为可控电源，由微控制器控制它的通断。

2.根据权利要求1所述的超低功耗全失压测量装置，其特征是：电压通道由电阻R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈、电容C₅～C₄、二极管D₄～D₅构成，R₂₂的一端为电压信号输入端，R₂₂的另一端接R₂₃的一端，R₂₃的另一端接R₂₄的一端，R₂₄的另一端接R₂₅、R₂₆、R₂₈的一端及D₄负极和D₅的正极，R₂₅的另一端接C₅和C₄一端、D₄的正极，C₅和C₄一端、D₄的正极并接接地，C₅和C₄的另一端接R₂₆的另一端及R₂₇的一端，R₂₇的另一端接D5负极及VDD，R₂₈的另一端接电压输入。

3.根据权利要求1或2所述的超低功耗全失压测量装置，其特征是：电压通道通过电阻网络分压，然后通过电阻接到微控制器内部的模数转换器ADC12的模拟输入端口，VDD为可控电源。

4.一种超低功耗全失压测量装置的测量方法，其特征是：

在正常工作状态下，微控制器处于活动状态，微控制器内部的模数转换器ADC12各个模块均处于打开状态，微控制器内部的模数转换器ADC12的工作模式为序列通道单次采样模式，由定时器A的输出1触发，触发频率为3276.8Hz，当采样次数达到之后，就能计算有功，无功，电压，电流，功率因数和频率参数；

在全失压状态下，微控制器绝大部分时间处于低功耗模式3，只有时钟，LCD显示的更新及定时打开微控制器内部的模数转换器ADC12测量电压和电流时，微控制器启动，同时，微控制器内部的模数转换器ADC12，定时器模块及可控电源VDD也绝大部分时间处于关闭状态，只有在测量电压和电流时才开启；

定时测量电压，电流的时间间隔一般60秒钟测一次，微控制器内部的模数转换器ADC12的采样频率为3276.8Hz，采样次数为1～2个周波的次数；当微控制器内部的模数转换器ADC12的采样次数到了之后，即可关闭VDD电源，同时微控制器进入活动状态，开始计算参数，计算完成后又进入到低功耗模式。

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