CN103954833B - 一种电能计量表、计量芯片及其内置时钟信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的电能计量表、计量芯片及其内置时钟信号调制方法，通过计量芯片对微控制器芯片发送的训练字节进行计数，并计算得到计量芯片的内置时钟的信号频率；再通过微控制器芯片读取信号频率，并计算信号频率与预设频率之间的偏差，判断偏差是否小于预设偏差，当判断偏差不小于所述预设偏差时，控制计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至判断偏差小于所述预设偏差为止；最终使每个芯片得到的内置时钟的信号频率与预设频率之间的偏差均小于预设偏差，保证了各个芯片间的时钟信号频率基本一致，解决了现有技术中RC时钟频率偏差高的问题。

Description

一种电能计量表、计量芯片及其内置时钟信号调制方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种电能计量表、计量芯片及其内置时钟信号调制方法。

背景技术

应用于电能计量中的微控制器芯片和计量芯片一般都采用外置晶体以达到所需的时钟精度。如果所述计量芯片能够采用内置RC时钟，则可以降低电能计量应用的成本；同时，由于所述外部晶体存在停振的风险，所述计量芯片采用内置RC时钟对于提高计量芯片可靠性也有很大帮助。

但是现有技术中，在所述计量芯片上集成RC时钟存在以下问题：RC时钟频率的个体离散性较大，即使付出一定的代价，芯片间的RC时钟频率偏差也可能达到30％的量级。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电能计量表、计量芯片及其内置时钟信号调制方法，以解决现有技术中芯片间的RC时钟频率偏差高的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种计量芯片内置时钟信号调制方法，包括：

微控制器芯片定时发送训练字节；

计量芯片对所述每个训练字节进行计数，并根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；

所述微控制器芯片读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差；

所述微控制器芯片判断所述偏差是否小于预设偏差；

当所述微控制器芯片判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至所述微控制器芯片判断所述偏差小于所述预设偏差。

优选的，所述根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率的公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

优选的，所述训练字节的时间间隔T_ref的计算公式为：

T_ref＝8×T_baud＝8/F_baud；

其中，T_baud为所述训练字节的波特周期；F_baud为所述训练字节的波特率。

优选的，所述计算所述信号频率与预设频率之间的偏差的公式为：

C＝F_ideal/F_rc-1；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；F_ideal为所述预设频率；C为所述偏差。

优选的，所述预设偏差为±1％。

优选的，在直至所述微控制器芯片判断所述偏差小于所述预设偏差的步骤后还包括：

所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值。

优选的，所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值的公式为：

C_rc＝F_ideal/F_rc-1

其中，C_rc为所述功率补偿值；F_ideal为所述预设频率；F_rc为所述信号频率；

所述信号频率的计算公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

一种计量芯片，应用于电能计量表中，所述电能计量表还包括与所述计量芯片相连的微控制器芯片，所述计量芯片包括内置时钟；所述计量芯片用于接收所述微控制器芯片定时发送的训练字节并对所述每个训练字节进行计数，根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；并在需要的情况下对其内部的内置时钟进行电路参数的调整。

优选的，所述计量芯片还用于根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值。

一种电能计量表，包括上述任一所述的计量芯片及与所述计量芯片相连的微控制器芯片；

所述微控制器芯片用于读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差，判断所述偏差是否小于预设偏差；当判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至判断所述偏差小于所述预设偏差。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的计量芯片内置时钟信号调制方法，通过微控制器芯片发送训练字节；然后由计量芯片对所述训练字节进行计数，并根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；再通过所述微控制器芯片读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差，判断所述偏差是否小于预设偏差，当判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至判断所述偏差小于所述预设偏差为止；最终使每个芯片得到的所述内置时钟的信号频率与所述预设频率之间的偏差均小于所述预设偏差，保证了各个芯片间的时钟信号频率基本一致，解决了现有技术中RC时钟频率偏差高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的计量芯片内置时钟信号调制方法流程图；

图2为本发明另一实施例公开的训练字节的示意图；

图3为本发明另一实施例公开的计量芯片内置时钟信号调制方法流程图；

图4为本发明另一实施例公开的电能计量表结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种计量芯片内置时钟信号调制方法，以解决现有技术中芯片间的RC时钟频率偏差高的问题。

具体的，如图1所示，所述计量芯片内置时钟信号调制方法包括：

S101、微控制器芯片定时发送训练字节；

在具体的应用中，如图2所示，所述训练字节为0x7F信号，假设所述微控制器芯片发送的所述训练字节的波特率为F_baud，则其波特周期为T_baud＝1/F_baud；所述训练字节的时间间隔T_ref，即图2所示的两个下降沿之间的8个波特宽度时间为T_ref＝8×T_baud＝8/F_baud。

S102、计量芯片对所述每个训练字节进行计数，并根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；

优选的，所述根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率的公式为：F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

S103、所述微控制器芯片读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差；

优选的，所述计算所述信号频率与预设频率之间的偏差的公式为：C＝F_ideal/F_rc-1；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；F_ideal为所述预设频率；C为所述偏差。

优选的，所述预设偏差为±1％；也即要求-1％<C+<1％。

S104、所述微控制器芯片判断所述偏差是否小于预设偏差；

若所述微控制器芯片判断所述偏差小于所述预设偏差，说明此时所述计量芯片的内置时钟的信号频率已满足其与所述预设频率之间的关系，能够保证每个芯片的时钟信号频率保持基本一致。

S105、所述微控制器芯片控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数。

若所述微控制器芯片判断所述偏差不小于所述预设偏差，说明此时所述计量芯片的内置时钟的信号频率与所述预设频率之间的偏差较大，还需继续调试，所以还应当继续执行步骤S102至S104，直至所述微控制器芯片判断所述偏差小于所述预设偏差。

本发明公开的计量芯片内置时钟信号调制方法，最终使每个芯片得到的所述内置时钟的信号频率与所述预设频率之间的偏差均小于所述预设偏差，保证了各个芯片间的时钟信号频率基本一致，解决了现有技术中RC时钟频率偏差高的问题。

优选的，如图3所示，所述计量芯片内置时钟信号调制方法包括：

S101、微控制器芯片定时发送训练字节；

S102、计量芯片对所述每个训练字节进行计数，并根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；

S103、所述微控制器芯片读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差；

S104、所述微控制器芯片判断所述偏差是否小于预设偏差；

S105、所述微控制器芯片控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数。

S106、所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值。

在具体的实际应用中，RC时钟的温度特性较差，在其工作温度范围内，如-40℃～85℃，RC时钟频率偏差约5％；电能计量应用中需要根据测量到的功率值P输出一个CF脉冲，该脉冲的频率F_cf与测量到的功率值P和时钟频率值成正比：F_cf＝kF_rcP，其中k为一个常数；当功率值P恒定时，芯片工作的时钟频率的变化将导致CF脉冲频率F_cf的变化。

所以，需要增加步骤S106，所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值，对功率值P进行补偿，将所述芯片工作的时钟频率的变化将导致CF脉冲频率F_cf在全温度范围内的变化控制在千分之一以内。

优选的，所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值的公式为：

C_rc＝F_ideal/F_rc-1

其中，C_rc为所述功率补偿值；F_ideal为所述预设频率；F_rc为所述信号频率；

所述信号频率的计算公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

具体的，所述计量芯片测量到的功率值为P，根据RC时钟实际频率需要对该功率进行补偿的功率补偿值为C_rc，补偿后的功率为P_c，则有：

P_c＝(1+C_rc)×P；

Fc_f＝kF_idealP＝kF_rcP_c

C_rc＝F_ideal/F_rc-1＝F_ideal×T_ref/N_rc-1

在实际应用中，所述微控制器芯片定期的发送所述训练字节，所述计量芯片自动的计算出功率补偿值C_rc，这样就可以将CF脉冲频率稳定在允许范围之内。且系统需要周期性的执行上述步骤，以确保所述计量芯片内置RC时钟的变化能被及时的补偿。

本发明另一实施例还公开了一种计量芯片，如图4所示，应用于电能计量表100中，电能计量表100还包括与计量芯片101相连的微控制器芯片102，计量芯片101包括内置时钟；计量芯片101用于接收微控制器芯片102发送的训练字节并对所述训练字节进行计数，根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到计量芯片101的内置时钟的信号频率。

计量芯片101接收微控制器芯片102定时发送的训练字节并对所述每个训练字节进行计数，根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到计量芯片101的内置时钟的信号频率；然后由微控制器芯片102计算所述信号频率与预设频率之间的偏差，判断所述偏差是否小于预设偏差；当判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制计量芯片101调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至判断所述偏差小于所述预设偏差；最终使每个芯片得到的所述内置时钟的信号频率与所述预设频率之间的偏差均小于所述预设偏差，保证了各个芯片间的时钟信号频率基本一致，解决了现有技术中RC时钟频率偏差高的问题。

优选的，计量芯片101还用于根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值。

在实际应用中，微控制器芯片102定期的发送所述训练字节，计量芯片101自动的计算出功率补偿值，以将CF脉冲频率稳定在允许范围之内。

本发明另一实施例还公开了一种电能计量表，如图4所示，电能计量表100包括上述实施例任一所述的计量芯片101及与计量芯片101相连的微控制器芯片102。

在国家电网电能表应用中，采用的UART通用串行通信，其通信波特率为2400Hz，那么训练字节0x7F的两个下降沿的间隔时间T_ref为：

T_ref＝8×T_baud＝8/F_baud＝3.333mS

计量芯片101的理想设计频率，即预设频率F_ideal为3.2768MHz，实际对间隔时间T_ref的计数值为N_rc＝12000，那么，计算得到实际RC时钟的信号频率为：

F_rc＝N_rc/T_ref＝3.6MHz

此时的频率偏差误差为：

F_ideal/F_rc-1＝-9％<-1％，所以需要对所述RC时钟的信号频率继续进行调试；对其内置的RC时钟进行电路参数的调整，再次对对间隔时间T_ref的计数值为N_rc＝11000，此时计算得到实际RC时钟的信号频率为：

F_rc＝N_rc/T_ref＝3.3MHz

此时的频率偏差误差为：

F_ideal/F_rc-1＝-0.7％>-1％，不需要进一步对所述RC时钟的信号频率进行调试；

然后对功率进行补偿:

C_rc＝F_ideal/F_rc-1＝-0.00703

至此完成补偿，在系统工作的过程中，系统需要周期性的进行判断及参数调整，以确保RC时钟的变化能被及时的补偿。

N_rc的值决定了系统补偿的分辨率，在本应用场景中，N_rc为1E4量级，所以补偿分辨率为万分之一，高于国家电网电能表应用中千分之一的精度要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种计量芯片内置时钟信号调制方法，其特征在于，包括：

微控制器芯片定时发送训练字节；

计量芯片对每个所述训练字节进行计数，并根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；

所述微控制器芯片读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差；

所述微控制器芯片判断所述偏差是否小于预设偏差；

当所述微控制器芯片判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至所述微控制器芯片判断所述偏差小于所述预设偏差；

所述计量芯片根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值，所采用的公式为：

C_rc＝F_ideal/F_rc-1

其中，C_rc为所述功率补偿值；F_ideal为所述预设频率；F_rc为所述信号频率；

所述信号频率的计算公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的计量芯片内置时钟信号调制方法，其特征在于，所述根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率的公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

3.根据权利要求2所述的计量芯片内置时钟信号调制方法，其特征在于，所述训练字节的时间间隔T_ref的计算公式为：

T_ref＝8×T_baud＝8/F_baud；

其中，T_baud为所述训练字节的波特周期；F_baud为所述训练字节的波特率。

4.根据权利要求1所述的计量芯片内置时钟信号调制方法，其特征在于，所述计算所述信号频率与预设频率之间的偏差的公式为：

C＝F_ideal/F_rc-1；

其中，F_rc为所述计量芯片的内置时钟的信号频率；F_ideal为所述预设频率；C为所述偏差。

5.根据权利要求1所述的计量芯片内置时钟信号调制方法，其特征在于，所述预设偏差为±1％。

6.一种计量芯片，其特征在于，应用于电能计量表中，所述电能计量表还包括与所述计量芯片相连的微控制器芯片，所述计量芯片包括内置时钟；所述计量芯片用于接收所述微控制器芯片定时发送的训练字节并对每个所述训练字节进行计数，根据计数结果及所述训练字节的时间间隔计算得到所述计量芯片的内置时钟的信号频率；并在需要的情况下对其内部的内置时钟进行电路参数的调整；根据最终得到的所述信号频率与预设频率计算得到功率补偿值，且计算得到所述功率补偿值所采用的公式为：

C_rc＝F_ideal/F_rc-1

其中，C_rc为所述功率补偿值；F_ideal为所述预设频率；F_rc为所述信号频率；

所述信号频率的计算公式为：

F_rc＝N_rc/T_ref；

其中，F_rc为所述信号频率；N_rc为对所述训练字节进行计数的计数结果；T_ref为所述训练字节的时间间隔。

7.一种电能计量表，其特征在于，包括权利要求6所述的计量芯片及与所述计量芯片相连的微控制器芯片；

所述微控制器芯片用于读取所述信号频率，并计算所述信号频率与预设频率之间的偏差，判断所述偏差是否小于预设偏差；当判断所述偏差不小于所述预设偏差时，控制所述计量芯片调整内置时钟的电路参数，再次对所述训练字节进行计数，以得到新的信号频率及偏差，直至判断所述偏差小于所述预设偏差。