CN103163369A - 实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其中包括基准模块、采样模块、模数转换模块、时钟与频率转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口电路、校准模块。本发明还涉及一种基于该电路结构实现电能计量电路的精度预校准方法。采用该种结构的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法，实现对电能计量电路测量精度进行校准的功能，校准结构简单，而且无需增加大量电路规模，应用时完全兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板，同时又能有效提高电能表测量精度，显著降低了校表成本，是电能计量芯片领域一个高效灵活的选择。

Description

实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法

技术领域

本发明涉及计量芯片领域，特别涉及电能计量电路技术领域，具体是指一种实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法。

背景技术

电子式电能表在出厂前，需要对其测量精度进行校准，以满足有关电能计量技术规范标准的要求。

请参阅图1所示，其为现有无校准功能的电能计量电路结构示意框图。目前，对于电子式电能表常用的校准方法主要有两种：硬件校准和软件校准。

硬件校准，在电子式电能表PCB应用板上，电压采样通道设计电阻分压器网络，通过短接分压器网络电阻，改变线电压衰减来调准采样电压，从而实现校表目的。硬件校准方法需要根据误差情况手工短接适当的电阻，调整速度慢；且电阻分压网络的校验范围有限(一般为±30％)，对于超出校验范围的电能计量电路，需要手工更换、焊接分压网络中的电阻，增加了硬件成本，还容易因虚焊假焊影响电表计量的精度。

软件校准，在电能计量电路内部设计校准寄存器，通过MCU向校准寄存器写入校准值来实现校准。现有的软件校准方法或技术有两类，一类是在对线电压/电流信号进行模数转换前，预先对模拟信号进行增益调制(具体请见中国发明专利申请CN03129510.X)；该方法需要设计高精度的模拟增益可调制放大电路，设计难度大，技术上不容易实现。另一类是在模拟线电压/电流信号转换为数字量后，对数字量进行增益调节，目前的带校准功能的电能计量产品多数按此方法实现；该方法适用于带通讯接口的计量电路，需要重新设计校准寄存器电路、数字信号处理电路，增加数字电路规模。

采用该方法设计的电能计量产品应用时，需通过通讯接口外接EEPROM存储器。在校表时，校准数据存储到外部EEPROM存储器；电能表应用时，校准数据从EEPROM读出，通过通讯接口写入校准寄存器实现校准。对于无通讯接口的计量电路，需要设计校准寄存器电路、通讯接口电路及数字信号运算电路等模块，增加通讯引脚，无法兼容原有外围电路，必须重新设计PCB板，成本高。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效实现电能测量精度预校准功能、兼容原有电子式电能表外围电路、显著降低校表成本、结构简单实用、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法。

为了实现上述的目的，本发明的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法如下：

该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括基准模块、采样模块、模数转换模块、时钟与频率转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口模块、校准模块，其中：

所述的基准模块用于产生电路工作所需的基准电压信号，并为所述的采样模块和模数转换模块提供基准电压；

所述的采样模块用于采样电流信号和线电压信号，送至所述的模数转换模块进行处理；

所述的模数转换模块把所述的采样模块采样的电流信号和线电压信号转换为对应的电流信号数字量和电压信号数字量，送至所述的数字信号处理模块处理；

所述的数字信号处理模块对电流信号数字量和电压信号数字量进行滤波处理并进行运算，计算得到瞬时功率值，并将瞬时功率值累加得到电能计量值，输出至外部MCU进行处理；

所述的时钟与频率转换模块为所述的采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号；

所述的校准寄存器及接口模块中的校准寄存器存储有控制所述的校准模块的工作状态的校准值信息；

所述的校准寄存器为非易失性可编程单元，其通过复用引脚实现编程接口，作为所述的校准寄存器及接口模块的接口电路。

所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，在测试校准时，复用引脚用于编程该校准寄存器；正常工作时，该校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用。

若该电能计量电路为带通讯接口的电能计量电路，所述的校准寄存器可以为内部寄存器电路单元。所述的校准寄存器及接口模块的接口电路与该通讯接口复用，该校准数据暂存到外部EEPROM存储器，然后通过该通讯接口写入该校准寄存器。

所述的校准寄存器的位宽由所述的校准模块的校准范围决定；

所述的校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对所述的基准模块输出的基准电压在预设的范围内进行微调，并送至所述的模数转换模块。

该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构中的校准模块可以由跟随器单元和分压电路单元组成来实现，所述的跟随器单元的输出端与所述的分压电路单元的输入端相连接。

该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构中的非易失性可编程单元可以为熔丝、一次性可编程只读存储器OTP ROM或者电可擦除可编程只读存储器EEPROM等非易失性存储器件。

该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构中的电能计量电路结构可以为单相电能计量电路结构或者三相电能计量电路结构。

该基于上述的电路结构实现电能计量电路的精度预校准方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的电能计量电路结构进行校准初始化处理；

(2)所述的电能计量电路结构将电参量计量结果输出至外部校准控制台；

(3)所述的外部校准控制台根据所述的电参量计量结果，计算得出初测误差值信息及校准补偿数据信息；

(4)所述的外部校准控制台根据所述的校准补偿数据信息，计算出要补偿该误差值所需调整的基准范围信息；

(5)所述的外部校准控制台根据所述的需调整的基准范围信息，计算所述的校准模块应该处于的工作状态，并得到对应校准寄存器值信息；

(6)将所述的校准寄存器值信息写入所述的校准寄存器中，并控制所述的校准模块工作在上述步骤(5)中的工作状态；

(7)所述的电能计量电路结构重新计量输出电参量计量结果，并送至所述的外部校准控制台；

(8)所述的外部校准控制台判断所述的电参量计量结果的计量误差是否在允许的范围内；

(9)如果是，则完成该精度预校准操作；否则返回上述步骤(3)。

采用了该发明的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法，由于其中通过设置校准寄存器控制校准模块，并对基准模块输出的基准电压进行微调处理，因此改变了模拟信号经过模数转换模块转换后数字量的大小，从而实现对电能计量电路测量精度进行校准的功能，不仅校准结构简单，而且无需增加大量电路规模，应用时完全兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板，同时又能有效提高电能表测量精度，显著降低了校表成本，是电能计量芯片领域一个高效灵活的选择。

附图说明

图1为现有技术中无校准功能的电能计量电路结构示意框图。

图2为本发明的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构的具体实施例的电路结构框图。

图3为本发明的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构中的校准模块的具体实施例示意图。

图4为本发明的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构的校表过程示意图。

图5为本发明的实现电能计量电路的精度预校准方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图2至图4所示，该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括基准模块、采样模块、模数转换模块、时钟与频率转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口模块、校准模块，其中：

(1)所述的基准模块用于产生电路工作所需的基准电压信号，并为所述的采样模块和模数转换模块提供基准电压；

(2)所述的采样模块用于采样电流信号和线电压信号，送至所述的模数转换模块进行处理；

(3)所述的模数转换模块把所述的采样模块采样的电流信号和线电压信号转换为对应的电流信号数字量和电压信号数字量，送至所述的数字信号处理模块处理；

(4)所述的数字信号处理模块对电流信号数字量和电压信号数字量进行滤波处理并进行运算，计算得到瞬时功率值，并将瞬时功率值累加得到电能计量值，输出至外部MCU进行处理；

(5)所述的时钟与频率转换模块为所述的采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号；

(6)所述的校准寄存器存储有控制所述的校准模块的工作状态的校准值信息，且该校准寄存器的位宽由所述的校准模块的校准范围决定；该校准寄存器为非易失性可编程单元，该非易失性可编程单元可以为熔丝、一次性可编程只读存储器OTP ROM或者电可擦除可编程只读存储器EEPROM等非易失性存储器件；

所述的校准寄存器通过复用引脚实现编程接口，作为所述的校准寄存器及接口模块的接口电路。在测试校准时，复用引脚用于编程该校准寄存器；正常工作时，该校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用。

(7)所述的校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对所述的基准模块输出的基准电压在预设的范围内进行微调，并送至所述的模数转换模块；所述的校准模块由跟随器单元和分压电路单元组成来实现，所述的跟随器单元的输出端与所述的分压电路单元的输入端相连接。

同时，若该电能计量电路为带通讯接口的电能计量电路，所述的校准寄存器可以为内部寄存器电路单元。所述的校准寄存器及接口模块的接口电路与该通讯接口复用，该校准数据暂存到外部EEPROM存储器，外部的校准值信息通过该通讯接口写入所述的校准寄存器中；

不仅如此，该实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构中的电能计量电路结构可以为单相电能计量电路结构或者三相电能计量电路结构。

在实际使用当中，不管是硬件校准方法，还是软件校准方法，归根结底是靠调整信号幅度来实现对计量精度的校准。模拟信号经过模数转换模块转换为数字量的大小，可以跟模数转换模块采用的基准电压值相关。那么通过调节基准电压值的大小，就可以实现对电能计量电路测量精度进行校准的目的。基于上述思路，本发明提出了带测量精度预校准功能的电能计量电路及校准方法，可以实现电能测量精度预校准，同时兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板。

本发明的技术方案如下：

该带测量精度预校准功能的电能计量电路，主要模块包括基准模块、采样模块、模数转换模块、时钟与频率转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口模块、校准模块等。其中：

●基准模块，用于产生电路工作所需的基准电压信号，并为采样模块和模数转换模块提供基准电压；

●采样模块，用于采样电流信号和线电压信号，供给模数转换模块(ADC)处理；

●模数转换模块，把采样模块采样的电流信号和线电压信号转换为对应的电流信号数字量和电压信号数字量，供数字信号处理模块处理；

●数字信号处理模块，对电流信号数字量和电压信号数字量进行滤波处理并进行运算，计算得到瞬时功率值，瞬时功率值累加得到电能计量值，输出给外部MCU处理；

●时钟与频率转换模块，为采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块等提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号；

●校准寄存器及接口模块，可通过接口对校准寄存器写校准值来控制校准模块工作状态；校准寄存器的位宽由校准模块的校准范围决定。

●校准模块，根据校准寄存器的设置控制工作状态，对基准模块输出的基准电压在一定范围内进行微调，再供给模数转换模块；

同时，为使输出基准信号保持零温度系数，校准模块由跟随器及分压电路来实现，请参阅图3的结构所示；

其中，对于无通讯接口的电能计量电路，可以采用非易失性可编程单元作为校准寄存器，引脚复用实现编程接口。在测试校准时，复用引脚用于编程校准寄存器；正常工作时，校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用，完全兼容原有电子式电能表外围电路及PCB板。

该校准寄存器采用的非易失性可编程单元可以是熔丝、OTP ROM、EEPROM等非易失性存储器件；

不仅如此，对于带通讯接口的计量电路，校准寄存器可以采用非易失性可编程单元结构，如前面所述；或者采用内部寄存器电路作为校准寄存器，接口电路跟原有的通讯接口复用，校准数据暂存到外部EEPROM存储器，通过通讯接口写入校准寄存器实现校准，完全兼容原有电子式电能表外围电路及PCB板。

另外，对应于处理单相多通道电流和电压信号，或者三相电流和电压信号，本发明的带测量精度预校准功能的电能计量电路分别为单相电能计量电路或者三相电能计量电路。

再请参阅图5所示，该基于上述的电路结构实现电能计量电路的精度预校准方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的电能计量电路结构进行校准初始化处理；

(2)所述的电能计量电路结构将电参量计量结果输出至外部校准控制台；

(3)所述的外部校准控制台根据所述的电参量计量结果，计算得出初测误差值信息及校准补偿数据信息；

(4)所述的外部校准控制台根据所述的校准补偿数据信息，计算出要补偿该误差值所需调整的基准范围信息；

(5)所述的外部校准控制台根据所述的需调整的基准范围信息，计算所述的校准模块应该处于的工作状态，并得到对应校准寄存器值信息；

(6)将所述的校准寄存器值信息写入所述的校准寄存器中，并控制所述的校准模块工作在上述步骤(5)中的工作状态；

(7)所述的电能计量电路结构重新计量输出电参量计量结果，并送至所述的外部校准控制台；

(8)所述的外部校准控制台判断所述的电参量计量结果的计量误差是否在允许的范围内；

(9)如果是，则完成该精度预校准操作；否则返回上述步骤(3)。

在实际使用当中，本发明的基于上述带测量精度预校准功能的电能计量电路的校准方法，方法步骤如下：

步骤一——校准初始化，计量电路输出电参量计量结果给校准控制台；

步骤二——校准控制台根据上述电参量计量结果，计算得出初测误差值及校准补偿数据；

步骤三——根据上述校准补偿数据，推算出要补偿该误差值所需调整的基准范围；

步骤四——由需调整的基准范围推算校准模块的工作状态，并得到对应校准寄存器值；

步骤五——写校准寄存器，控制校准模块工作在步骤四得出的状态；

步骤六——计量电路重新计量输出电参量结果，并送给校准控制台；

步骤七——校准控制台判断计量误差是否符合要求，若符合，完成校表；若不符合，重复步骤二至步骤六过程。

本发明的核心思想是，通过校准模块对基准电压进行微调处理，改变模拟信号经过模数转换模块转换后数字量的大小，从而实现对电能计量电路测量精度进行校准的电路结构及校准方法，因此，只要是利用了本发明说明书及附图所做的等效结构或者流程变换，或直接或间接运用在相关领域，均没有超出本发明的保护范围。

采用了上述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构及其方法，由于其中通过设置校准寄存器控制校准模块，并对基准模块输出的基准电压进行微调处理，因此改变了模拟信号经过模数转换模块转换后数字量的大小，从而实现对电能计量电路测量精度进行校准的功能，不仅校准结构简单，而且无需增加大量电路规模，应用时完全兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板，同时又能有效提高电能表测量精度，显著降低了校表成本，是电能计量芯片领域一个高效灵活的选择。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (11)

1.一种实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括基准模块、采样模块、模数转换模块、时钟与频率转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口模块、校准模块，其中：

所述的基准模块用于产生电路工作所需的基准电压信号，并为所述的采样模块和模数转换模块提供基准电压；

所述的采样模块用于采样电流信号和线电压信号，送至所述的模数转换模块进行处理；

所述的模数转换模块把所述的采样模块采样的电流信号和线电压信号转换为对应的电流信号数字量和电压信号数字量，送至所述的数字信号处理模块处理；

所述的数字信号处理模块对电流信号数字量和电压信号数字量进行滤波处理并进行运算，计算得到瞬时功率值，并将瞬时功率值累加得到电能计量值，输出至外部MCU进行处理；

所述的时钟与频率转换模块为所述的采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号；

所述的校准寄存器及接口模块中的校准寄存器存储有控制所述的校准模块的工作状态的校准值信息；

所述的校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对所述的基准模块输出的基准电压在预设的范围内进行微调，并送至所述的模数转换模块。

2.根据权利要求1所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的校准模块由跟随器单元和分压电路单元组成，所述的跟随器单元的输出端与所述的分压电路单元的输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的校准寄存器为非易失性可编程单元，该校准寄存器通过复用引脚实现编程接口，作为所述的校准寄存器及接口模块的接口电路。

4.根据权利要求3所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的复用引脚在测试校准时用于编程该校准寄存器；且该复用引脚在正常工作时正常使用，该校准寄存器的值保持不变。

5.根据权利要求3所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的非易失性可编程单元为非易失性存储器件。

6.根据权利要求5所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的非易失性存储器件为熔丝、一次性可编程只读存储器OTP ROM或者电可擦除可编程只读存储器EEPROM。

7.根据权利要求1所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的校准寄存器的位宽由所述的校准模块的校准范围决定。

8.根据权利要求1所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的电能计量电路结构中具有通讯接口，所述的校准寄存器为内部寄存器电路单元。

9.根据权利要求8所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的校准寄存器及接口模块中的接口电路与该通讯接口复用，校准数据暂存到外部EEPROM存储器，并通过该通讯接口写入该校准寄存器。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的实现测量精度预校准功能的电能计量电路结构，其特征在于，所述的电能计量电路结构为单相电能计量电路结构或者三相电能计量电路结构。

11.一种基于权利要求1所述的电路结构实现电能计量电路的精度预校准方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的电能计量电路结构进行校准初始化处理；

(2)所述的电能计量电路结构将电参量计量结果输出至外部校准控制台；

(3)所述的外部校准控制台根据所述的电参量计量结果，计算得出初测误差值信息及校准补偿数据信息；

(4)所述的外部校准控制台根据所述的校准补偿数据信息，计算出要补偿该误差值所需调整的基准范围信息；

(5)所述的外部校准控制台根据所述的需调整的基准范围信息，计算所述的校准模块应该处于的工作状态，并得到对应校准寄存器值信息；

(6)将所述的校准寄存器值信息写入所述的校准寄存器中，并控制所述的校准模块工作在上述步骤(5)中的工作状态；

(7)所述的电能计量电路结构重新计量输出电参量计量结果，并送至所述的外部校准控制台；

(8)所述的外部校准控制台判断所述的电参量计量结果的计量误差是否在允许的范围内；

(9)如果是，则完成该精度预校准操作；否则返回上述步骤(3)。

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