CN107860968A - 功耗自诊断电路、功耗自诊断方法及其计量仪表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功耗自诊断电路，包括控制器、储能器、储能控制电路、采样电路、采样控制电路、放大电路和放大控制电路；采样电路采样锂电池的输出信号并上传放大电路，放大电路将信号放大并输入到控制器；采样控制电路接收控制器信号控制采样电路工作；储能控制电路接收控制器信号控制储能器工作；放大控制电路接收控制器信号并控制放大电路工作。本发明还提供了所述功耗自诊断电路的功耗自诊断方法，以及包括所述功耗自诊断电路和功耗自诊断方法的计量仪表。本发明能够实现对电路的实时功耗的自诊断，能够实时监测锂电池的输出信号和电路功耗，从而对电路的工作状态进行预判，而且电路简单可靠，成本低廉。

Description

功耗自诊断电路、功耗自诊断方法及其计量仪表

技术领域

本发明具体涉及一种功耗自诊断电路、功耗自诊断方法及其计量仪表。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能、水能、热能、供气等已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的部分，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

计量仪表作为供电系统(或者供水系统，供热系统，供气系统等)中唯一的具有计量功能的设备，其承担着电能计量(或水量计量、热量计量、气量计量等)的重要任务，因此计量仪表的好坏直接关系到系统的可靠性的好坏。

目前，我国的计量系统已经逐步迈入了智能化时代。我国现阶段的智能仪表，大都使用锂电池供电，因此计量表计本身的功耗大小就决定了表计可以正常使用的年限。一旦智能仪表的某些功能出现异常，表计本身的功耗也有很大的可能会出现异常，因此对表计的功耗是一个能够有效反映表计是否存在问题的参数。

在智能仪表的生产过程中，往往会安排多道工序来检测表计的电流值。这样一来，智能仪表的生产效率和生产成本便会大幅提升。同时，在后续的现场使用过程中，工作人员却无法实时监测表计的功耗值，从而当出现了功耗异常的问题时，工作人员往往很难发现异常情况，因此对计量系统的可靠性带来了极大的隐患。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够实时监测计量仪表功耗，而且电路简单可靠，成本低廉的功耗自诊断电路。

本发明的目的之二在于提供一种所述的功耗自诊断电路的功耗自诊断方法。

本发明的目的之三在于提供一种包含了所述功耗自诊断电路和功耗自诊断方法的计量仪表。

本发明提供的这种功耗自诊断电路，包括控制器、储能器、储能控制电路、采样电路、采样控制电路、放大电路和放大控制电路；锂电池的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接控制器，锂电池的输出端还通过采样控制电路和储能控制电路串接至储能器的输出端，储能器的输出端还通过放大控制电路连接放大电路，采样控制电路的输入端、储能控制电路的输入端和放大控制电路的输入端均与控制器连接，采样控制电路的输出端连接采样电路，储能控制电路的输出端连接储能器；，放大控制电路的输出端连接放大电路；采样电路用于采样锂电池的输出信号并输出至放大电路，放大电路将采样电路上传的信号放大并输入到控制器；采样控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制采样电路工作；储能控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制储能器工作；放大控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制放大电路工作。

所述的储能器为法拉电容。

所述的控制器为采用型号为MSP430F6736IPN的单片机构成的控制器。

所述的采样电路为电阻采样电路；电阻采样电路将锂电池输出的电流信号转换为电压信号并输入采样电路。

所述的采样控制电路包括继电器、继电器限流电阻、继电器保护二极管、采样开关管和采样开关管限流电阻；继电器的常开节点一端连接采样电路，常开节点的另一端直接连接储能控制电路；继电器的常闭节点一端直接连接锂电池的输出端，常闭节点的另一端同样直接连接储能控制电路；继电器的控制端一端通过继电器限流电阻接地，控制端的另一端连接采样开关管的活动端一端，采样开关管的活动端另一端连接储能器，采样开关管的控制端通过采样开关管限流电阻连接控制器；继电器保护二极管并接在继电器的控制端两端之间，用于保护继电器。

所述的储能控制电路包括储能开关管和储能开关管限流电阻；储能开关管的控制端通过储能开关管限流电阻与控制器连接，储能开关管的活动端一端连接储能器，储能开关管的活动端另一端直接连接采样控制电路.

所述的放大控制电路包括放大开关管和放大开关管限流电阻；放大开关管的控制端通过放大开关管限流电阻连接控制器，放大开关管的活动端一端连接储能器的输出端，放大开关管的活动端另一端连接放大电路。

所述的放大电路包括一级放大电路和二级放大电路；一级放大电路和二级放大电路串接，将采样电路上传的采样信息进行一级放大和二级放大后输出到控制端；一级放大电路和二级放大电路的电源端均与放大控制电路的输出端连接。

本发明还提供了一种所述功耗自诊断电路的功耗自诊断方法，包括如下步骤：

S1.控制器发出控制信号，控制储能控制电路断开储能器与锂电池的电路连接；

S2.控制器发出控制信号，通过采样控制电路控制采样电路对锂电池的输出电流信号进行采样；

S3.控制器对采样控制电路进行控制时，同时通过放大控制电路控制放大电路工作，从而对采样电路上传的采样信号进行放大；

S4.控制器接收放大电路输出的放大后的采样信号，并判断电路的功耗数据。

本发明还提供了一种计量仪表，所述计量仪表包括了上述的功耗自诊断电路和功耗自诊断方法。

本发明提供的这种功耗自诊断电路和功耗自诊断方法，通过相应的控制电路和采样电路等，实现了对锂电池的输出电流信号的实时监测，从而能够实现对电路的实时功耗的自诊断，因此本发明能够实时监测锂电池的输出信号和电路功耗，从而对电路的工作状态进行预判，而且电路简单可靠，成本低廉。

附图说明

图1为本发明电路的功能模块图。

图2为本发明电路的电路原理示意图。

图3为本发明方法的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明电路的功能模块图：本发明提供的这种功耗自诊断电路，包括控制器、储能器、储能控制电路、采样电路、采样控制电路、放大电路和放大控制电路；锂电池的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接控制器，锂电池的输出端还通过采样控制电路和储能控制电路串接至储能器的输出端，储能器的输出端还通过放大控制电路连接放大电路，采样控制电路的输入端、储能控制电路的输入端和放大控制电路的输入端均与控制器连接，采样控制电路的输出端连接采样电路，储能控制电路的输出端连接储能器；放大控制电路的输出端连接放大电路；采样电路用于采样锂电池的输出信号并输出至放大电路，放大电路将采样电路上传的信号放大并输入到控制器；采样控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制采样电路工作；储能控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制储能器工作；放大控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制放大电路工作；储能控制电路用于接收控制器输出的控制信号并控制储能器为采样控制电路和放大电路供电。

如图2所示为本发明电路的电路原理示意图：

采样电路为电阻采样电路，图中为电阻R10构成的电阻采样电路；采样控制电路包括继电器K2、继电器限流电阻R16、继电器保护二极管V5、采样开关管V8和采样开关管限流电阻R18；储能控制电路包括储能开关管V6和储能开关管限流电阻R15；放大控制电路包括放大开关管V7和放大开关管限流电阻R17；放大电路包括一级放大电路(图中由放大芯片D6-型号IN195-和滤波电容C14构成)和二级放大电路(由运放芯片D29-型号MCP601-滤波电容C148，以及负反馈电阻网络R245和R236)；

图中，继电器的常开节点一端(图中继电器的5脚)连接采样电路电阻R10，常开节点的另一端(图中继电器的3脚)通过保护二极管V3直接连接储能控制电路的储能开关管V6的活动端的另一端；继电器的常闭节点一端(继电器的4脚)直接连接锂电池(图中的XS2即为锂电池的连接端，1脚为输出正极，2脚为输出负极)的输出端正极，常闭节点的另一端(继电器的3脚)同样直接连接储能控制电路；继电器的控制端一端(继电器的1脚)通过继电器限流电阻R16接地，控制端的另一端(继电器的2脚)连接采样开关管V8的活动端一端，采样开关管V8的活动端另一端连接储能器(图中电容C25即为储能器，采用法拉电容)的输出端(图中所示的V-Fala信号)，采样开关管V8的控制端通过采样开关管限流电阻R18连接控制器；继电器保护二极管V5并接在继电器的控制端两端之间，用于保护继电器的控制端线圈进行续流，从而保护继电器的线圈；储能开关管V6的控制端通过储能开关管限流电阻R15与控制器连接，储能开关管的活动端一端连接储能器C25，储能开关管的活动端另一端直接连接采样控制电路；放大开关管V7的控制端通过放大开关管限流电阻R17连接控制器，放大开关管的活动端一端连接储能器的输出端(图中所示的V-Fala信号)，放大开关管的活动端另一端连接放大电路(即芯片D6的5脚)；放大芯片D6的输入引脚连接在采样电阻的两端，用于获取采样电阻两端的电压信号并将获取的电压信号放大后从芯片的1脚输出；芯片的2脚和5脚之间还连接有滤波电容C14对芯片的电源信号进行滤波；放大芯片D6的输出信号再输入到第二级放大电路的核心芯片，运放芯片D29的输入端3脚D29的4脚获取输出采样电路的负反馈电阻电路的电阻R245的电压信号，运放D29将输入信号进一步放大后从输出引脚1脚直接输出PA_OUT信号至控制器；运放D29的2脚和5脚之间连接滤波电容C148进行电源信号滤波，输出引脚1脚还通过负反馈电阻网络接地，所述负反馈电阻网络用于将一级放大电路的输出信号进行二级放大。

上述的功耗自诊断电路，其工作过程分为功耗自诊断模式和正常模式，其工作过程分别如下所示：

正常模式：正常工作状态时，为了降低电路功耗，采样电路和放大电路均不需要接入电路中(即不需要供电工作)；此时，控制器将K_Ctrl信号置为高电平，则开关管V8截止，此时K_V3.3信号由于与法拉电容的输出端V-Fala信号断开，因此K_V3.3信号被直接通过继电器的线圈和电阻R16拉低为低电平，因此继电器K2的线圈两端没有电压信号，此时继电器K2不工作，因此继电器的常开节点依然保持断开，此时采样电阻R10未接入电路，也不会产生相应的损耗；同样的，控制器将LowPower_Ctrl信号置为低电平，此时开关管V7截止，则法拉电容的输出端与放大芯片D6、运放芯片D29的供电引脚均断开，因此此时由放大芯片D6构成的一级放大电路和运放芯片D29构成的二级放大电路均不得电，因此也未工作，也不会有相应的损耗；此时，所述的功耗自诊断电路的自身损耗被最小化。

同时，在正常工作下，若法拉电容需要充电(即法拉电容的输出端电压信号V-Fala低于设定的阈值)，则此时控制器将Fala_Ctrl信号置为低电平，此时开关管V6将导通，此时锂电池的输出端1脚将通过继电器的常闭节点4脚和3脚，以及二极管V3直接连接到法拉电容的输出端，此时锂电池将为法拉电容充电。

功耗自诊断模式：在功耗自诊断模式下，需要采样电路采样锂电池的输出电流从而获取锂电池所带负载的功耗。因此，此时控制器首先需要将Fala_Ctrl信号置为高电平，此时开关管V6截止，使得锂电池的输出端与法拉电容的输出端之间断开，避免锂电池为法拉电容充电；然后，控制器再将K_Ctrl信号置为低电平，此时开关管V8导通，法拉电容的输出端直接通过开关管V8为继电器的控制端供电，此时继电器得电，继电器的常开节点闭合，常闭结合断开，图中即为继电器的5脚和3脚接通，4脚和3脚断开；此时锂电池的输出端通过采样电阻R10输出电源信号V3.6_BAT；采样电阻R10将锂电池的输出电流信号转换为电压信号，由放大芯片D6采样进入芯片内部；同时，控制器将控制信号LowPower_Ctrl置为高电平，此时开关管V7导通，法拉电容的输出端直接为放大芯片D6和运放芯片D29供电，此时一级放大电路和二级放大电路均得电工作；放大芯片D6将采集到的电阻R10上的电压信号进行放大后，再输出到二级放大电路进行第二次放大；由运放芯片D29构成的二级放大电路，对由D6构成的一级放大电路放大后的信号进行二次放大，从而得到最终的锂电池的输出电流的采样放大信号PA_OUT输出至控制器。

上述的电路在具体实施时，控制器为采用型号为MSP430F6736IPN的单片机构成的控制器。

如图3所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的所述功耗自诊断电路的功耗自诊断方法，包括如下步骤：

S1.控制器发出控制信号，控制储能控制电路断开储能器与锂电池的电路连接；

S2.控制器发出控制信号，通过采样控制电路控制采样电路对锂电池的输出电流信号进行采样；

S3.控制器对采样控制电路进行控制时，同时通过放大控制电路控制放大电路工作，从而对采样电路上传的采样信号进行放大；

S4.控制器接收放大电路输出的放大后的采样信号，并判断电路的功耗数据。

本发明提供的这种功耗自诊断电路和功耗自诊断方法，可用于其他任何需要进行功耗诊断的电子设备，包括各类型的计量仪表(比如电能表、水表、燃气表、热量表等)、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、故障指示器等。

Claims (10)

1.一种功耗自诊断电路，其特征在于包括控制器、储能器、储能控制电路、采样电路、采样控制电路、放大电路和放大控制电路；锂电池的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接控制器，锂电池的输出端还通过采样控制电路和储能控制电路串接至储能器的输出端，储能器的输出端还通过放大控制电路连接放大电路，采样控制电路的输入端、储能控制电路的输入端和放大控制电路的输入端均与控制器连接，采样控制电路的输出端连接采样电路，储能控制电路的输出端连接储能器；放大控制电路的输出端连接放大电路；采样电路用于采样锂电池的输出信号并输出至放大电路，放大电路将采样电路上传的信号放大并输入到控制器；采样控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制采样电路工作；储能控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制储能器工作；放大控制电路用于接收控制器发出的控制信号并控制放大电路工作。

2.根据权利要求1所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的储能器为法拉电容。

3.根据权利要求1所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的控制器为采用型号为MSP430F6736IPN的单片机构成的控制器。

4.根据权利要求1～3之一所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的采样电路为电阻采样电路；电阻采样电路将锂电池输出的电流信号转换为电压信号并输入采样电路。

5.根据权利要求1～3之一所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的采样控制电路包括继电器、继电器限流电阻、继电器保护二极管、采样开关管和采样开关管限流电阻；继电器的常开节点一端连接采样电路，常开节点的另一端直接连接储能控制电路；继电器的常闭节点一端直接连接锂电池的输出端，常闭节点的另一端同样直接连接储能控制电路；继电器的控制端一端通过继电器限流电阻接地，控制端的另一端连接采样开关管的活动端一端，采样开关管的活动端另一端连接储能器，采样开关管的控制端通过采样开关管限流电阻连接控制器；继电器保护二极管并接在继电器的控制端两端之间，用于保护继电器。

6.根据权利要求1～3之一所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的储能控制电路包括储能开关管和储能开关管限流电阻；储能开关管的控制端通过储能开关管限流电阻与控制器连接，储能开关管的活动端一端连接储能器，储能开关管的活动端另一端直接连接采样控制电路。

7.根据权利要求1～3之一所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的放大控制电路包括放大开关管和放大开关管限流电阻；放大开关管的控制端通过放大开关管限流电阻连接控制器，放大开关管的活动端一端连接储能器的输出端，放大开关管的活动端另一端连接放大电路。

8.根据权利要求1～3之一所述的功耗自诊断电路，其特征在于所述的放大电路包括一级放大电路和二级放大电路；一级放大电路和二级放大电路串接，将采样电路上传的采样信息进行一级放大和二级放大后输出到控制端；一级放大电路和二级放大电路的电源端均与放大控制电路的输出端连接。

9.一种权利要求1～8之一所述的功耗自诊断电路的功耗自诊断方法，包括如下步骤：

S1.控制器发出控制信号，控制储能控制电路断开储能器与锂电池的电路连接；

S2.控制器发出控制信号，通过采样控制电路控制采样电路对锂电池的输出电流信号进行采样；

S3.控制器对采样控制电路进行控制时，同时通过放大控制电路控制放大电路工作，从而对采样电路上传的采样信号进行放大；

S4.控制器接收放大电路输出的放大后的采样信号，并判断电路的功耗数据。

10.一种计量仪表，其特征在于包括权利要求1～8之一所述的功耗自诊断电路和权利要求9所述的功耗自诊断方法。