CN111722010B - 一种计量数据获取方法及计量系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种计量数据获取方法，包括通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间。该方法能够有效解决计量滞后以及计量数据刷新和读取不同步的问题。本申请还公开了一种计量系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。

Description

一种计量数据获取方法及计量系统
技术领域
本申请涉及电力技术领域，特别涉及一种计量数据获取方法；还涉及一种计量系统以及计算机可读存储介质。
背景技术
针对电力系统中的能力计量，目前采用内部高频震荡电路(RCH)作为主时钟的计量芯片与MCU配合使用来实现，由MCU定时从计量芯片读取功率数据，进而由MCU来实现能量的积分。参考图1所示，采用基于内部RCH作为主时钟的计量芯片所设计的电能表主要包括：MCU、计量芯片及二者之间的隔离芯片，通常采用光耦隔离。计量芯片负责对电流、电压信号进行采样，测量当前功率数据，包括有功功率、无功功率，视在功率。MCU负责从计量芯片读取计量芯片的功率数据，并进行累加。因为计量芯片直接和电网相连，故为了安全，MCU和计量芯片之间需要进行电气隔离，隔离芯片即起到电气隔离的作用。
然而，上述MCU通过串口来定时读取计量芯片的功率数据，然后再通过对时间的积分来实现能量计量的方式存在以下技术缺陷：
1)、同步问题：计量芯片按照周期T计算该周期内的平均功率值并刷新到相应的寄存器。为了不使能量丢失，MCU也通过定时器以周期T定时读取计量芯的平均功率数据，但是由于MCU和计量芯片分别属于不同的两套系统，无法做到同步。
2)、响应滞后问题：由MCU和计量芯片无法同步和功率数据的刷新周期引起。MCU需要发送命令给计量芯片，计量芯片收到命令之后再返回功率数据给MCU。为了确保能量不丢失，功率数据的刷新时间不能小于通信时间。假设通信时间为T1，功率数据的刷新周期为T2，则能量计算的最大滞后时间为T1+T2。
有鉴于此，如何解决上述技术缺陷已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种计量数据获取方法，能够解决计量滞后以及计量数据刷新和读取不同步的问题。本申请的另一个目的是提供一种计量系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种计量数据获取方法，包括：
通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；
接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间。
可选的，所述通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值设定所述计量芯片的传输模式，包括：
通过设置所述计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值设置所述计量芯片的传输模式，所述第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式。
可选的，所述计量芯片发送所述计量数据的时间间隔为一个信号周期。
可选的，所述单总线为串口单总线。
可选的，还包括：
依据所述计量芯片的实际工作时钟频率以及所述计量芯片以所述实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数计算得到电网频率。
可选的，获取所述计量芯片的实际工作时钟频率的方式为：
依据所述计量芯片发送的包含所述数据的数据帧的帧头得到目标计量时间；
依据
Figure BDA0002561089720000021
计算得到所述计量芯片的实际工作时钟频率；
其中，fr为所述计量芯片内部高频晶振的理论值，k为所述计量芯片传输数据的波特率值，t为所述目标计量时间的值，单位为s，N为所述目标计量时间对应的位的个数，f0为所述计量芯片的实际工作时钟频率。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计量系统，包括：
MCU与计量芯片；
所述MCU用于通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间。
可选的，所述MCU具体用于通过设置所述计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值设置所述计量芯片的传输模式，所述第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式。
可选的，所述单总线为串口单总线。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的计量数据获取方法的步骤。
本申请所提供的计量数据获取方法，包括：通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间。
可见，本申请所提供的计量数据获取方法，由计量芯片通过单总线定时向MCU推送数据，较之计量芯片在接收MCU发送的命令后向MCU发送数据的传统方式，本申请可有效解决计量滞后以及计量数据刷新和读取不同步的问题。另外，本申请通过单总线传输数据，在需要隔离的计量方案中，会节省一个隔离器件，从而减低了设计成本。此外，本申请通过设置计量芯片的传输模式选择管脚来选定计量芯片向MCU传输的数据的类型，简化了计量芯片与MCU的接口电路，也使得计量芯片使用更加灵活。
本申请所提供的计量系统以及计算机可读存储介质均具有上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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申请的一些实施例，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为现有的计量数据获取方式的示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种计量数据获取方法的流程示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种波形图；
图4为本申请实施例所提供的一种计量系统的示意图。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种计量数据获取方法，能够解决计量滞后以及计量数据刷新和读取不同步的问题。本申请的另一个核心是提供一种计量系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种计量数据获取方法的流程示意图，参考图2所示，该计量数据获取方法包括：
S101：通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定计量芯片的传输模式；
具体的，本步骤旨在设定计量芯片的传输模式，即设定计量芯片向MCU传输的数据的类型。具体而言，本申请选取计量芯片的某个或某些管脚作为传输模式选择管脚，通过设置此传输模式选择管脚的值来设定计量芯片传输数据的类型。
其中，在一种具体的实施方式中，上述通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值设定计量芯片传输数据的类型，包括：通过设置计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值设置计量芯片的传输模式，第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式。
具体的，本实施例具体选用计量芯片的两个管脚作为传输模式选择管脚，即第一传输选择管脚与第二传输模式选择管脚。第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式，通过设置计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值即可达到设定计量芯片的传输模式的目的。第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值均包含0与1两种情况，由此，第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚值的值的逻辑组合包括四种情况，即计量芯片的传输模式可包含四种情况。
例如，参考表1所示：
表1
Figure BDA0002561089720000051
表1中Mod0与Mod1分别指代第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚，模式1至4为Mod0与Mod1的值的不同逻辑组合所对应的传输模式，数据内容为对应的传输模式下计量数据传输的数据的内容，如模式1下，计量芯片传输的数据内容为A路有功功率与无功功率。
可以明白的是，上述通过两个管脚的值的逻辑组合来选择传输数据的类型不仅限于表1中的组合，可以根据需要来定义各种组合。另外，传输模式选择管脚也不仅限于两个，可以是一个或者两个以上，可根据实际需要进行差异性设置。
S102：接收计量芯片依据传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧计量数据所需的时间。
具体的，计量芯片与MCU通过单总线相连，在完成对计量芯片的传输模式的设置的基础上，计量芯片对电流、电压信号进行采样，测量当前功率数据，包括有功功率、无功功率，视在功率，并通过连接MCU的单总线定时向MCU传输当前的传输模式所对应的数据类型。
MCU接收计量芯片定时传输的计量数据，并进一步对计量数据进行累加得到能量累加值。具体而言，MCU中定义一个全局变量作为能量积分存贮单元对功率进行累加，这个累加器俗称能量桶，能量桶以每秒n次的速度对功率进行累加。当能量桶中的数据超过预设值(能量溢出门限值)之后产生一次溢出，并产生一个CF脉冲输出，然后继续从头开始累加。CF脉冲代表了电能能量数据，检测设备一般通过检测CF的输出频率来测量电能表的计量精度。CF是一个方波，在电能表设计中，一般能量桶溢出时，CF脉冲口输出高电平，这个高电平持续一段时间(一般是80ms)之后，CF输出口恢复到低电平。
其中，为了不造成数据的丢失，计量芯片内部的数据刷新周期大于计量芯片向MCU传输一帧数据所需要的时间。
另外，在一种具体的实施方式中，上述单总线为串口单总线。以UART串口总线为例，TX管脚采用URAT串口设置为10位传输(起始位+8位数据位+停止位)，波特率为9600，数据帧结构如表2所示：
表2
帧头 数据 校验和
0x7D 由Mod0和Mod1电平决定传输内容 1个字节
如上所示，采用URAT串口传输数据，因为波特率为9600，传输一个字节的时间大概1ms。因此根据传输模式的不同的，计量数据的刷新周期会不同，在模式1～3时，因为传输数据的时间小于20mS，因此计量数据的刷新周期可以为20ms，即一个周波计算一次有效值、功率。在模式4时，因为传输时间大于20ms，故数据刷新周期可以为40ms，即2个周波计算一次平均值。
为及时响应外部负载的变化，在一种具体的实施方式中，计量芯片发送数据的时间间隔为一个信号周期，如50Hz时为20ms。可以明白的是，上述计量芯片发送数据的时间间隔的实施例仅为本申请所提供的一种实施方式，，而非唯一限定，可以根据实际情况进行差异性设置，如当传输的数据较多时，也可以放宽到2个信号周期。
进一步，在上述实施例的基础上，还包括依据计量芯片的实际工作时钟频率以及计量芯片以实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数计算得到电网频率。
具体而言，依据计算公式：f＝f0/n计算得到电网频率，f表示输入信号的频率即电网频率，f0表示计量芯片对输入信号采样的时钟频率，一般为计量芯片的实际工作时钟频率，n表示计量芯片以实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数，即对输入电压的两次连续的正向或者负向过零点的时间间隔。实际应用中，n值由计量芯片提供。由于计量芯片采用内部晶振作为工作主频，而内部高频晶振的频率的精度最高只能做到1％，而且会随着温度的变化而变化。若想通过上述公式计算得到准确的电网频率，就需知道计量芯片的实际工作时钟频率为多少，由此在获取计量芯片的实际工作时钟频率的基础上，根据上述公式即可计算出输入信号的频率即电网频率。
其中，获取计量芯片的实际工作时钟频率的方式为：
依据计量芯片发送的包含计量数据的数据帧的帧头得到目标计量时间；
依据
Figure BDA0002561089720000072
计算得到计量芯片的实际工作时钟频率；
其中，fr为计量芯片内部高频晶振的理论值，k为计量芯片传输数据的波特率值，t为目标计量时间的值，单位为s，N为目标计量时间对应的位的个数，f0为计量芯片的实际工作时钟频率。
具体的，本实施例中，设置了一个特殊且固定的通信协议的帧头，这样计量芯片除了利用通信帧发送计量数据。也可以让MCU通过测量这个帧头(1个BYTE)的时间，间接测量计量芯片内部高频晶振的偏差。优选的，该帧头字符为0x7D。
0x7D的串口波形参考图3所示，因为通信线上有滤波电容或者计量芯片发出的数据是通过光耦等隔离器件进入MCU，这些电路会随着工作环境的变化，对通信波形造成不同情况的畸变，最终MCU接收到的波形如图3所示。若以T1作为测量1bit的波形，则会产生较大的误差。如果以T2或者T3作为测量波形，则会比较准确，且从测量1bit时钟宽度的精度来说，T3会更合适，即T3作为目标计量时间，而T2则可用来对测量进行容错处理，因为实际通信中，有可能存在大量的干扰噪声，如果错误的将干扰信号当成了正常波形信号，则会影响频率的测量。因此，以T2数据作为一个信号判断数据，当测量到的T3/T2约等于4时。则认为这个测量值是正确的。
在测量值正确的基础上，依据公式
Figure BDA0002561089720000071
计算得到计量芯片的实际工作时钟频率。fr为计量芯片内部高频晶振的理论值，k为计量芯片传输数据的理论波特率值，如9600，t为MCU测量得到的T3值，单位为s，N表示T3为几个bit的值，如图3所示，本实施例中为8，f0为计量芯片的实际工作时钟频率。
本实施例将用于测量计量芯片的内部时钟频率的信号和通信信号合二为一，可以有效提高提高总线效率，当然，除了上述方式外，也可以采用其他的方式来实现，比如在每次通信之前产生约定的方波，进而依据此方波得到计量芯片的实际工作时钟频率，等。
另外，上述帧头为0x7d的实施例也仅为本申请所提供的一种实施方式，除0x7d外，还可以设置为其他的帧头，相应的，T3所包含的字节数也并非固定为8bit，T2和T3的比例也并非固定为1：4，具体根据实际需要确定即可。
综上所述，本申请所提供的计量数据获取方法，由计量芯片通过单总线定时向MCU推送数据，较之计量芯片在接收MCU发送的命令后向MCU发送数据的传统方式，本申请可有效解决计量滞后以及计量数据刷新和读取不同步的问题。另外，本申请通过单总线传输数据，在需要隔离的计量方案中，会节省一个隔离器件，从而减低了设计成本。此外，本申请通过设置计量芯片的传输模式选择管脚来选定计量芯片向MCU传输的数据的类型，简化了计量芯片与MCU的接口电路，也使得计量芯片使用更加灵活。
本申请还提供了一种计量系统，下文描述的该系统可以与上文描述的方法相互对应参照。请参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种计量系统的示意图，结合图4所示，该计量系统包括：
MCU10与计量芯片20；
MCU10用于通过设置计量芯片20的传输模式选择管脚的值，设定计量芯片20的传输模式；接收计量芯片20依据传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；计量芯片20内部的数据刷新周期大于传输一帧计量数据所需的时间。
在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，MCU10具体用于通过设置计量芯片20的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值设置计量芯片20的传输模式，第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式。
在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，计量芯片20发送计量数据的时间间隔为一个信号周期。
在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，单总线为串口单总线。
在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，MCU10还用于：
依据计量芯片20的实际工作时钟频率以及计量芯片20以实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数计算得到电网频率。
在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，MCU10具体用于：
依据计量芯片20发送的包含计量数据的数据帧的帧头得到目标计量时间；
依据
Figure BDA0002561089720000091
计算得到计量芯片20的实际工作时钟频率；
其中，fr为计量芯片20内部高频晶振的理论值，k为计量芯片20传输数据的波特率值，t为目标计量时间的值，单位为s，N为目标计量时间对应的位的个数，f0为计量芯片的实际工作时钟频率。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现如下的步骤：
通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值设定所述计量芯片的传输模式；接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对于本申请所提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。
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。对于实施例公开的装置、设备以及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的计量数据获取方法、计量系统以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种计量数据获取方法，其特征在于，包括：
通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；
接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据；所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间；
其中，所述通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式，包括：通过设置所述计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式，所述第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式；
所述计量芯片传输所述计量数据的时间间隔为一个信号周期；
所述单总线为串口单总线；
所述计量数据获取方法，还包括：依据所述计量芯片的实际工作时钟频率，以及所述计量芯片以所述实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数，计算得到电网频率；
获取所述计量芯片的实际工作时钟频率的方式为：依据所述计量芯片发送的包含所述计量数据的数据帧的帧头得到目标计量时间；依据
Figure FDA0003852169450000011
计算得到所述计量芯片的实际工作时钟频率；其中，fr为所述计量芯片内部高频晶振的理论值，k为所述计量芯片传输数据的波特率值，t为所述目标计量时间的值，单位为s，N为所述目标计量时间对应的位的个数，f0为所述计量芯片的实际工作时钟频率。
2.一种计量系统，其特征在于，包括：
MCU与计量芯片；
所述MCU用于通过设置计量芯片的传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式；接收所述计量芯片依据所述传输模式，通过单总线定时传输的计量数据，所述计量芯片内部的数据刷新周期大于传输一帧所述计量数据所需的时间；
其中，所述MCU具体用于通过设置所述计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式，所述第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式；
所述计量芯片传输所述计量数据的时间间隔为一个信号周期；
所述单总线为串口单总线；
所述计量系统还用于：依据所述计量芯片的实际工作时钟频率，以及所述计量芯片以所述实际工作时钟频率对输入信号采样一个周期的采样点数，计算得到电网频率；
获取所述计量芯片的实际工作时钟频率的方式为：依据所述计量芯片发送的包含所述计量数据的数据帧的帧头得到目标计量时间；依据
Figure FDA0003852169450000021
计算得到所述计量芯片的实际工作时钟频率；其中，fr为所述计量芯片内部高频晶振的理论值，k为所述计量芯片传输数据的波特率值，t为所述目标计量时间的值，单位为s，N为所述目标计量时间对应的位的个数，f0为所述计量芯片的实际工作时钟频率。
3.根据权利要求2所述的计量系统，其特征在于，所述MCU具体用于通过设置所述计量芯片的第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值，设定所述计量芯片的传输模式，所述第一传输模式选择管脚与第二传输模式选择管脚的值的不同逻辑组合对应不同的传输模式。
4.根据权利要求3所述的计量系统，其特征在于，所述单总线为串口单总线。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的计量数据获取方法的步骤。
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