CN111650435B - 一种电能计量芯片系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电能计量芯片系统，通过将计量芯片模块根据功能分配到火线电源域和零线电源域，节省了体积和成本都很高的电流互感器。通过使用脉冲变压器线圈或高压隔离电容，配合计量芯片的电源整流系统和时钟提取系统，节省了工频变压器、RC供电器和晶体这些体积和成本都较高的元器件，从而大幅减小了单相或三相电能计量表的成本和体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能计量芯片系统，属于电子技术领域的电能计量技术领域。
背景技术
各个家庭、企业所使用的电量由电能计量表进行计量，一般分为单相计量表和三相计量表。以单相电能计量表为例，计量表由高精度ADC测量电压信号和电流信号，再根据这两个信号计算有功/无功的功率值、电压/电流的有效值、以及累计消耗电能，甚至做谐波分析等电能质量分析。为防止窃电，计量表需要同时对火线和零线上的电流进行测量，并以火线电流为主。因此一般来说，计量芯片会放在火线为基准的电源域里，零线电流通过电流互感器CT进行隔离后，连至火线电源域由计量芯片进行采样。为保证安全，MCU芯片放在零线电源域，通过光耦、容隔离或磁隔离等隔离器件读取火线上计量芯片的数据。计量芯片因为在火线上，需要独立的电源供电系统，通常是由工频变压器产生隔离电源，或者RC供电电路给计量芯片供电。同时计量芯片需要精确的时钟源，通常由一个晶体提供。
对于三相计量表，存在同样的问题，如果采用3个计量芯片放在三相火线上，会需要3路相互隔离的电源供电电路，以及3个晶体时钟。如果3相计量芯片设计在一颗芯片里，则不能放在三相火线，三相火线电流需要通过3个电流互感器隔离后，再连至三相计量芯片所在的电源域。
对于供电用的工频变压器、电流互感器、RC供电电路、晶体这些器件，都存在体积大、成本高等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电能计量芯片系统，具有体积小、成本低的优势，并能高效实现电能计量，保证工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种电能计量芯片系统，用于目标相数的电能计量表，包括对应于各相火线电源域的各火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片、或者主控芯片与零线电源域检测芯片；
其中，主控芯片包括MCU，以及分别与MCU相连接的脉冲发生模块、通讯模块；各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片分别内置电源模块、时钟恢复模块、整流器模块；主控芯片中的脉冲发生模块分别经脉冲变压器对接各火线电源域检测芯片中的整流器模块，各火线电源域检测芯片中，由整流器模块针对来自所接脉冲变压器的脉冲信号进行整流，构成其所在火线电源域检测芯片中的电源，分别为相应电源模块、时钟恢复模块进行供电，电源模块为其所在火线电源域检测芯片中各模块进行供电，时钟恢复模块从脉冲变压器的脉冲信号中提取时钟信号，并提供给火线电源域检测芯片中各模块作为其工作时钟；
火线电源域中所设芯片与零线电源域中所设芯片之间的数据传输，均经过信号隔离器件进行实现；
若零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片，则零线电源域检测芯片中的电源与时钟都由主控芯片提供；零线电源域检测芯片的检测结果通过主控芯片中的通讯模块与MCU相通信。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电能计量表为单相电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中，火线电源域检测芯片中还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；火线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块与基准电压模块，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块，第二电流模数转换模块的输出端经过信号隔离器件对接火线电源域检测芯片中计量处理模块的输入端；
火线电源域检测芯片中的计量处理模块与主控芯片中的MCU之间，通过各自所连的连通讯模块实现两者的数据交互，且该数据交互过程经信号隔离器件进行执行。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电能计量表为单相电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中；零线电源域检测芯片中还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第二电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；零线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、晶体时钟；供电电源的零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、晶体时钟；电压模数转换模块的输出端、第二电流模数转换模块的输出端、以及晶体时钟分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
火线电源域检测芯片中还包括第一电流模数转换模块、基准电压模块；火线电源域检测芯片中：单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；第一电流模数转换模块的输出端经过信号隔离器件对接零线电源域检测芯片中计量处理模块的输入端；
零线电源域检测芯片中计量处理模块经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间进行数据交互。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电能计量表为三相四线电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为三个，各个火线电源域检测芯片分别一一对应设置于各相火线电源域中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；各火线电源域检测芯片结构中：火线电源域检测芯片对应相线的火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；火线电源域检测芯片对应相线的火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块分别经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互；
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块与基准电压模块，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块，第二电流模数转换模块的输出端经主控芯片中的通讯模块与MCU进行数据交互。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电能计量表为三相三线电能计量表，则基于供电电源的A相、B相、C相，包括分别设置于A相火线电源域、C相火线电源域中的火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片；其中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；
设置于A相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：A相火线电压、B相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；A相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
设置于C相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：B相火线电压、C相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；C相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块分别经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互。
作为本发明的一种优选技术方案：所述包括计量处理模块的各个芯片中，分别还包括设置温度传感器，各个温度传感器分别用于测量所设芯片中计量处理模块的温度，并经相应计量处理模块实现与所述MCU的交互。
本发明所述一种电能计量芯片系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计电能计量芯片系统，通过将计量芯片模块根据功能分配到火线电源域和零线电源域，节省了体积和成本都很高的电流互感器。通过使用脉冲变压器线圈或高压隔离电容，配合计量芯片的电源整流系统和时钟提取系统，节省了工频变压器、RC供电器和晶体这些体积和成本都较高的元器件，从而大幅减小了单相或三相电能计量表的成本和体积。
附图说明
图1是本发明所设计电能计量芯片系统对应单相电能计量表的应用实施例一示意图；
图2是本发明所设计电能计量芯片系统对应单相电能计量表的应用实施例二示意图；
图3是本发明所设计电能计量芯片系统对应三相四线电能计量表的应用实施例示意图；
图4是本发明所设计电能计量芯片系统对应三相三线电能计量表的应用实施例示意图；
图5是本发明所设计中传送时钟信号和脉冲变压器之间应用高耐压分立隔离电容的实施例示意图；
图6是本发明所设计中分立隔离电容方案的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种电能计量芯片系统，用于目标相数的电能计量表，包括对应于各相火线电源域的各火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片、或者主控芯片与零线电源域检测芯片。
其中，主控芯片包括MCU，以及分别与MCU相连接的脉冲发生模块(PulseGennerator)、通讯模块(Communication Module)；各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片分别内置电源模块(Power Module)、时钟恢复模块(ClockRecover)、整流器模块(Rectifier)；主控芯片中的脉冲发生模块(Pulse Gennerator)分别经脉冲变压器对接各火线电源域检测芯片中的整流器模块(Rectifier)，各火线电源域检测芯片中，由整流器模块(Rectifier)针对来自所接脉冲变压器的脉冲信号进行整流，构成其所在火线电源域检测芯片中的电源，分别为相应电源模块(Power Module)、时钟恢复模块(Clock Recover)进行供电，电源模块(Power Module)为其所在火线电源域检测芯片中各模块进行供电，时钟恢复模块(Clock Recover)从脉冲变压器的脉冲信号中提取时钟信号，并提供给火线电源域检测芯片中各模块作为其工作时钟。
即实际应用中，脉冲变压器除提供供电外，还为计量芯片提供精确的时钟来源，当然该时钟需要经过计量芯片内的时钟恢复电路后，才能提供给芯片内其他模块使用。
火线电源域中所设芯片与零线电源域中所设芯片之间的数据传输，均经过信号隔离器件进行实现，隔离器件可以是光耦隔离、电容隔离、磁隔离等隔离器件。
若零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片，则零线电源域检测芯片中的电源与时钟都由主控芯片提供；零线电源域检测芯片的检测结果通过主控芯片中的通讯模块(Communication Module)与MCU相通信。
实际应用当中，整流器模块(Rectifier)用来对脉冲变压器传过来的信号进行整流，以产生为计量芯片供电的电源，这样计量芯片就不需要独立的工频变压器(体积和成本要大幅超过脉冲变压器)或者RC电源产生供电了；整流器模块(Rectifier)可以是半波整流，也可以是全波整流，可以集成在计量芯片内部，也可以在芯片外部用分立器件实现。
电源模块(Power Module)，整流器模块(Rectifier)产生的电源提供给电源模块(Power Module)，再给整个计量芯片供电，以及实现上电复位等电源管理功能。
脉冲发生模块(Pulse Gennerator)，负责产生以固定频率发送的脉冲信号，同时该发送信号需要有足够的电流提供能力，以便传输能量给计量芯片供电，或者也可由MCU驱动外围的开关器件，实现对输入线圈的供电。
上述所设计电能计量芯片系统实际应用当中，针对单相电能计量表，实际应用中具体设计了两种结构，第一种结构，如图1所示，零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中，火线电源域检测芯片中还包括计量处理模块(Metering DSP)、电压模数转换模块(UADC)、第一电流模数转换模块(IA ADC)、基准电压模块(REF)、通讯模块(CommunicationModule)；火线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块(U ADC)的输入端，同时，电压模数转换模块(U ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端，同时第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；电压模数转换模块(UADC)的输出端、第一电流模数转换模块(IA ADC)的输出端、以及时钟恢复模块(ClockRecover)分别与计量处理模块(Metering DSP)的各输入端相对接，计量处理模块(Metering DSP)与相应通讯模块(Communication Module)相连。
应用中，通讯模块(Communication Module)将计量处理模块(Metering DSP)计算产生的数据，通过UART/SPI/IIC等通讯协议发送给MCU。也可以直接将各个ADC产生的原始高速码流信号直接传送给MCU，由MCU进行计量处理模块(Metering DSP)所负责的计算。
计量处理模块(Metering DSP)处理U ADC、IA ADC以及IB ADC转换出来的数字信号，计算有功/无功的功率值、电压/电流的有效值、累计消耗电能，甚至做谐波分析等电能质量分析；基准电压模块(REF)为各个ADC等模块提供参考基准电压。
实际应用中，电压模数转换模块(U ADC)将电压信号采样电路采集到的微弱模拟信号转换为数字信号，以供电能计量使用，并且电压模数转换模块(U ADC)里可包含可编程增益放大器。第一电流模数转换模块(IA ADC)将电流信号采样电路采集到的微弱模拟信号转换为数字信号，以供电能计量使用，并且第一电流模数转换模块(IA ADC)里可包含可编程增益放大器。
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块(IB ADC)与基准电压模块(REF)，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块(IBADC)的输入端，同时第二电流模数转换模块(IB ADC)的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块(REF)，第二电流模数转换模块(IB ADC)的输出端经过信号隔离器件对接火线电源域检测芯片中计量处理模块(Metering DSP)的输入端。
火线电源域检测芯片中计量处理模块(Metering DSP)经所连通讯模块(Communication Module)与主控芯片中MCU经所连通讯模块(Communication Module)之间进行数据交互，且该数据交互过程经信号隔离器件进行执行。
关于单相电能计量表的第二种结构中，如图2所示，零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中；零线电源域检测芯片中还包括计量处理模块(Metering DSP)、电压模数转换模块(U ADC)、第二电流模数转换模块(IB ADC)、基准电压模块(REF)、通讯模块(Communication Module)；零线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块(U ADC)的输入端，同时，电压模数转换模块(UADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、晶体时钟；供电电源的零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块(IB ADC)的输入端，同时第二电流模数转换模块(IB ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、晶体时钟；电压模数转换模块(U ADC)的输出端、第二电流模数转换模块(IB ADC)的输出端、以及晶体时钟分别与计量处理模块(Metering DSP)的各输入端相对接，计量处理模块(Metering DSP)与相应通讯模块(Communication Module)相连。
火线电源域检测芯片中还包括第一电流模数转换模块(IA ADC)、基准电压模块(REF)；火线电源域检测芯片中：单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端，同时第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；第一电流模数转换模块(IA ADC)的输出端经过信号隔离器件对接零线电源域检测芯片中计量处理模块(Metering DSP)的输入端。
零线电源域检测芯片中计量处理模块(Metering DSP)经所连通讯模块(Communication Module)与主控芯片中MCU经所连通讯模块(Communication Module)之间进行数据交互。
图2所示单相电能计量表的应用结构在实际应用中，处于火线电源域的只有第一电流模数转换模块(IA ADC)，包括提供电源的整流器模块(Rectifier)(整流器模块(Rectifier)也可以放在ADC芯片外面)、电源模块(Power Module)、时钟恢复模块(ClockRecover)和基准电压模块(REF)。IA ADC将其转换产生的信号以原始码流的形式发送给计量芯片，或者将经滤波器滤波后的数据以UART/SPI/IIC等方式发送给计量芯片。
计量芯片和MCU位于同一电源域，因此电源供电和精确时钟也很方便和MCU芯片共享，不再需要整流器模块和时钟恢复模块了。
实际应用当中，对于电能计量表来说，不仅可以是上述单相电能计量表，而且还可以是三相电能计量表，其中对于三相四线电能计量表，如图3所示，则实际应用中的结构，零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为三个，各个火线电源域检测芯片分别一一对应设置于各相火线电源域中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块(MeteringDSP)、电压模数转换模块(U ADC)、第一电流模数转换模块(IA ADC)、基准电压模块(REF)、通讯模块(Communication Module)；各火线电源域检测芯片结构中：火线电源域检测芯片对应相线的火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块(UADC)的输入端，同时，电压模数转换模块(U ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；火线电源域检测芯片对应相线的火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端，同时第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；电压模数转换模块(UADC)的输出端、第一电流模数转换模块(IA ADC)的输出端、以及时钟恢复模块(ClockRecover)分别与计量处理模块(Metering DSP)的各输入端相对接，计量处理模块(Metering DSP)与相应通讯模块(Communication Module)相连。
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块(Metering DSP)分别经所连通讯模块(Communication Module)与主控芯片中MCU经所连通讯模块(Communication Module)之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互。
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块(IB ADC)与基准电压模块(REF)，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块(IBADC)的输入端，同时第二电流模数转换模块(IB ADC)的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块(REF)，第二电流模数转换模块(IB ADC)的输出端经主控芯片中的通讯模块(Communication Module)与MCU进行数据交互。
实际应用中，在三相四线电能计量表里，有四个不同的电源域，分别是A相、B相、C相和零线电源域。同单相电能计量表一样，MCU和零线测量ADC芯片处于零线电源域，这两个芯片也可以集成在一颗里面。
A相、B相、C相上各有一颗计量芯片，每相计量芯片的供电和时钟都由一个脉冲变压器提供。这3个脉冲变压器的输入线圈也可以合并为一个，由MCU驱动，或者由MCU驱动外围的开关器件，实现对输入线圈的供电。计量芯片里的结构和单相计量表里的结构几乎相同，但不需要处理IB ADC的数据了。每相计量芯片里计量处理模块(Metering DSP)产生的数据，通过UART/SPI/IIC等接口发送给MCU芯片进行处理，也可以将计量芯片里ADC的原始码流发送给MCU芯片进行计算处理。
每一相计量芯片的电流信号都由该相电流经分流器产生，电压信号由该相电压和零线电压通过分压电阻产生。与单相计量表上的连接类似。
对于三相三线电能计量表来说，如图4所示，则基于供电电源的A相、B相、C相，包括分别设置于A相火线电源域、C相火线电源域中的火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片；其中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块(Metering DSP)、电压模数转换模块(U ADC)、第一电流模数转换模块(IA ADC)、基准电压模块(REF)、通讯模块(Communication Module)。
设置于A相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：A相火线电压、B相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块(U ADC)的输入端，同时，电压模数转换模块(U ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；A相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端，同时第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(ClockRecover)；电压模数转换模块(U ADC)的输出端、第一电流模数转换模块(IA ADC)的输出端、以及时钟恢复模块(Clock Recover)分别与计量处理模块(Metering DSP)的各输入端相对接，计量处理模块(Metering DSP)与相应通讯模块(Communication Module)相连。
设置于C相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：B相火线电压、C相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块(U ADC)的输入端，同时，电压模数转换模块(U ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(Clock Recover)；C相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端，同时第一电流模数转换模块(IA ADC)的输入端对接相应基准电压模块(REF)、时钟恢复模块(ClockRecover)；电压模数转换模块(U ADC)的输出端、第一电流模数转换模块(IA ADC)的输出端、以及时钟恢复模块(Clock Recover)分别与计量处理模块(Metering DSP)的各输入端相对接，计量处理模块(Metering DSP)与相应通讯模块(Communication Module)相连。
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块(Metering DSP)分别经所连通讯模块(Communication Module)与主控芯片中MCU经所连通讯模块(Communication Module)之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互。
实际应用中，三相三线电能计量表只需要两相计量芯片，A相计量芯片的电流信号来自于A相火线电流，电压信号来自于A相火线和B相火线的电阻分压。C相计量芯片的电流信号来自于C相火线电流，电压信号来自于C相火线和B相火线的电阻分压。
每相计量芯片的供电和时钟都由一个脉冲变压器提供，这2个脉冲变压器的输入线圈也可以合并为一个，由MCU驱动，或者由MCU驱动外围的开关器件，实现对输入线圈的供电。计量芯片里的结构和三相四线制电能表里的结构相同。每相计量芯片里计量处理模块(Metering DSP)产生的数据，通过UART/SPI/IIC等接口发送给MCU芯片进行处理，也可以将计量芯片里ADC的原始码流发送给MCU芯片进行计算处理。
上述技术方案所设计电能计量芯片系统在实际应用当中，包括计量处理模块(Metering DSP)的各个芯片中，分别还包括设置温度传感器(Temp Sensor)，各个温度传感器(Temp Sensor)分别用于测量所设芯片中计量处理模块(Metering DSP)的温度，并经相应计量处理模块(Metering DSP)实现与所述MCU的交互。
本发明所设计电能计量芯片系统在实际应用当中，其中传送时钟信号和供电的脉冲变压器，也可以使用高耐压的分立隔离电容实现，其中之一的实现电路(不限于此电路)如图5所示，其中，C0为高压隔离电容，C0左侧为时钟信号来源，由MCU驱动或MCU经MOS管驱动，D0/D1为两个保护二极管，可以集成在芯片内部，也可在PCB上独立实现；C0右侧为电源和时钟信号的接收芯片。D2/D3/D4为整流器件，可以集成在芯片内部，也可在PCB上独立实现；C1为去耦电容。
实际应用中，图5中的分立隔离电容方案，也可用于传送普通信号。其中之一的实现电路(不限于此电路)如图6所示。仅传送信号时，隔离电容C0的容值可以选取为较小的值。
上述技术方案所设计一种电能计量芯片系统，通过将计量芯片模块根据功能分配到火线电源域和零线电源域，节省了体积和成本都很高的电流互感器。通过使用脉冲变压器线圈或高压隔离电容，配合计量芯片的电源整流系统和时钟提取系统，节省了工频变压器、RC供电器和晶体这些体积和成本都较高的元器件，从而大幅减小了单相或三相电能计量表的成本和体积。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种电能计量芯片系统，用于目标相数的电能计量表，其特征在于：包括对应于各相火线电源域的各火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片、或者主控芯片与零线电源域检测芯片；
其中，主控芯片包括MCU，以及分别与MCU相连接的脉冲发生模块、通讯模块；各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片分别内置电源模块、时钟恢复模块、整流器模块；主控芯片中的脉冲发生模块分别经脉冲变压器对接各火线电源域检测芯片中的整流器模块，各火线电源域检测芯片中，由整流器模块针对来自所接脉冲变压器的脉冲信号进行整流，构成其所在火线电源域检测芯片中的电源，分别为相应电源模块、时钟恢复模块进行供电，电源模块为其所在火线电源域检测芯片中各模块进行供电，时钟恢复模块从脉冲变压器的脉冲信号中提取时钟信号，并提供给火线电源域检测芯片中各模块作为其工作时钟；
火线电源域中所设芯片与零线电源域中所设芯片之间的数据传输，均经过信号隔离器件进行实现；
若零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片，则零线电源域检测芯片中的电源与时钟都由主控芯片提供；零线电源域检测芯片的检测结果通过主控芯片中的通讯模块与MCU相通信。
2.根据权利要求1所述一种电能计量芯片系统，其特征在于：所述电能计量表为单相电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中，火线电源域检测芯片中还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；火线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块与基准电压模块，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块，第二电流模数转换模块的输出端经过信号隔离器件对接火线电源域检测芯片中计量处理模块的输入端；
火线电源域检测芯片中的计量处理模块与主控芯片中的MCU之间，通过各自所连的连通讯模块实现两者的数据交互，且该数据交互过程经信号隔离器件进行执行。
3.根据权利要求1所述一种电能计量芯片系统，其特征在于：所述电能计量表为单相电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为一个，火线电源域检测芯片设置于火线电源域中；零线电源域检测芯片中还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第二电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；零线电源域检测芯片中：单相火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、晶体时钟；供电电源的零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、晶体时钟；电压模数转换模块的输出端、第二电流模数转换模块的输出端、以及晶体时钟分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
火线电源域检测芯片中还包括第一电流模数转换模块、基准电压模块；火线电源域检测芯片中：单相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；第一电流模数转换模块的输出端经过信号隔离器件对接零线电源域检测芯片中计量处理模块的输入端；
零线电源域检测芯片中计量处理模块经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间进行数据交互。
4.根据权利要求1所述一种电能计量芯片系统，其特征在于：所述电能计量表为三相四线电能计量表，则零线电源域中设置主控芯片与零线电源域检测芯片；其中，火线电源域检测芯片的数量为三个，各个火线电源域检测芯片分别一一对应设置于各相火线电源域中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；各火线电源域检测芯片结构中：火线电源域检测芯片对应相线的火线电压、零线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；火线电源域检测芯片对应相线的火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块分别经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互；
零线电源域检测芯片中还包括第二电流模数转换模块与基准电压模块，零线电源域检测芯片中：零线电流经过滤波器输送至第二电流模数转换模块的输入端，同时第二电流模数转换模块的输入端对接相应晶体时钟与基准电压模块，第二电流模数转换模块的输出端经主控芯片中的通讯模块与MCU进行数据交互。
5.根据权利要求1所述一种电能计量芯片系统，其特征在于：所述电能计量表为三相三线电能计量表，则基于供电电源的A相、B相、C相，包括分别设置于A相火线电源域、C相火线电源域中的火线电源域检测芯片，以及设置于零线电源域中的主控芯片；其中，各火线电源域检测芯片的结构彼此相同，各火线电源域检测芯片中分别还包括计量处理模块、电压模数转换模块、第一电流模数转换模块、基准电压模块、通讯模块；
设置于A相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：A相火线电压、B相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；A相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
设置于C相火线电源域的火线电源域检测芯片结构中：B相火线电压、C相火线电压经过电阻分压后，再经滤波器输送至电压模数转换模块的输入端，同时，电压模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；C相火线电流经过滤波器输送至第一电流模数转换模块的输入端，同时第一电流模数转换模块的输入端对接相应基准电压模块、时钟恢复模块；电压模数转换模块的输出端、第一电流模数转换模块的输出端、以及时钟恢复模块分别与计量处理模块的各输入端相对接，计量处理模块与相应通讯模块相连；
各个火线电源域检测芯片中的计量处理模块分别经所连通讯模块与主控芯片中MCU经所连通讯模块之间，经过信号隔离器件相连进行数据交互。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述电能计量芯片系统，其特征在于：所述包括计量处理模块的各个芯片中，分别还包括设置温度传感器，各个温度传感器分别用于测量所设芯片中计量处理模块的温度，并经相应计量处理模块实现与所述MCU的交互。
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