CN113625048A - 一种智能电表芯片及智能电表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能电表芯片及智能电表，包括通过总线信号连接的处理内核、波形收发单元及谐波分析协处理单元；所述波形收发单元用于接收并校验完整帧信号；所述谐波分析协处理单元用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；所述处理内核用于控制智能电表。本发明在智能芯片上添加了波形收发单元及谐波分析协处理单元，将现有技术中由处理内核执行的谐波测量转交由上述两单元处理，使处理内核的传统任务，如通讯及控制等，能与谐波测量并行，解放了处理内核的资源，保障智能电表的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及电气监测领域，特别是涉及一种智能电表芯片及智能电表。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，非线性负载得到了广泛的应用。这类负载对电力系统引入了大量的谐波，造成电网信号波形畸变，会带来一系列的危害，如降低用电设备效率，影响各种电气设备的正常工作，对通讯系统产生干扰，影响计量结果的准确性等。随着泛在电力物联网的提出与发展，智能电表作为其中的重要一环，承担起了提供电网信号谐波的相关信息，对电网终端的电能质量分析和及时对谐波源用户采取管理策略产生重要的作用，大大推动智能电网的发展。
现有智能电表中谐波测量算法一般是由MCU软件实现的，这样灵活性高，可以根据实际的应用需求调整谐波测量算法。但是谐波测量算法运算量比较大，由纯软件实现时会占用大量的CPU资源，对内核的运算要求高。
因此，找到一种对内核资源占用少，运算速度快的谐波测量方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能电表芯片及智能电表，用以解决现有技术中智能电表测量谐波内核资源占用高，效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种智能电表芯片，包括通过总线信号连接的处理内核、波形收发单元及谐波分析协处理单元；
所述波形收发单元用于接收并校验完整帧信号；
所述谐波分析协处理单元用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；
所述处理内核用于控制智能电表。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述谐波分析协处理单元包括FFT引擎组件及数字信号处理组件；
所述FFT引擎组件用于根据所述完整帧信号确定对应的频域帧信号；
所述数字信号处理组件用于根据所述频域帧信号确定所述谐波测量信息。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述谐波分析协处理单元还包括能量桶组件及对应的能量寄存器；
所述能量寄存器控制所述能量桶组件对所述谐波测量信息实时累加，产生能量脉冲。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述谐波分析协处理单元还包括条件寄存器；
所述条件寄存器为预编程的寄存器，用于当满足预编程条件时，触发所述FFT引擎组件和/或所述数字信号处理组件开始工作。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述FFT引擎组件在确定所述频域帧信号后，将所述频域帧信号存储于对应的完整帧信号的地址空间中。
可选地，在所述的智能电表芯片中，还包括谐波存储单元；
所述谐波存储单元为所述波形收发单元及所述谐波分析协处理单元对应的存储单元。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述谐波存储单元为SRAM。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述波形收发单元还包括打包组件；
所述打包组件用于将所述谐波测量信息打包后，发送至外部网络。
可选地，在所述的智能电表芯片中，所述波形收发单元通过SPI接口与其他元件信号连接。
一种智能电表，所述智能电表包括如上述任一种所述的智能电表芯片。
本发明所提供的智能电表芯片，包括通过总线信号连接的处理内核、波形收发单元及谐波分析协处理单元；所述波形收发单元用于接收并校验完整帧信号；所述谐波分析协处理单元用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；所述处理内核用于控制智能电表。本发明在智能芯片上添加了波形收发单元及谐波分析协处理单元，将现有技术中由处理内核执行的谐波测量转交由上述两单元处理，使处理内核的传统任务，如通讯及控制等，能与谐波测量并行，解放了处理内核的资源，保障智能电表的稳定运行。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的智能电表。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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为本发明提供的智能电表芯片的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明提供的智能电表芯片的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明提供的智能电表芯片的又一种具体实施方式的结构示意图；
图4为本发明提供的智能电表芯片的还一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
智能电表芯片上常用的处理内核为Cortex-M0核(当然也可为其他轻量内核)，Cortex-M0核由于其低功耗低成本的特性，常用于如智能电表等物联网设备。在进行谐波测量时，需要先用FFT运算将同步处理或加窗处理的时域信号转换成频域信号，然后计算各次谐波的电压电流有功功率、无功功率、有效值和谐波含有率以及总畸变率，一般要求计算到至少21次谐波。计算过程中会用到除法和开方运算，而Cortex-M0核无硬件除法和开方运算指令，如果在Cortex-M0上实现谐波测量算法，将占用大量的CPU资源，导致Cortex-M0无法进行其它如通讯以及控制等任务。因此，本发明提出了一种智能电表芯片，利用特定的硬件模块来辅助完成谐波测量，减轻CPU内核的负担，同时具备一定的灵活性，可以适应多种谐波测量算法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
本发明的核心是提供一种智能电表芯片，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括通过总线信号连接的处理内核100、波形收发单元200及谐波分析协处理单元300；
所述波形收发单元200用于接收并校验完整帧信号；
所述谐波分析协处理单元300用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；
所述处理内核100用于控制智能电表。
进一步地，所述谐波分析协处理单元300通过硬件算法根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息。
作为一种优选实施方式，所述智能电表芯片还包括谐波存储单元；
所述谐波存储单元为所述波形收发单元200及所述谐波分析协处理单元300对应的存储单元。
所述总线可为AHB总线或APB总线，通过所述总线对处理内核100，DMA，SRAM，SPI等外设，对HAC及TRM互联，图中HAC(Harmonic analysis co-processor)为所述谐波分析协处理单元300，图中TRM(transceiver module)为所述波形收发单元200。
需要注意的是，为了所述波形收发单元200及所述谐波分析协处理单元300的正常工作，必须要有对应的存储单元，但在本优选实施方式中，将对应的存储单元一并设置于所述智能电表芯片上，相比于芯片外接的存储器，大大提升了所述波形收发单元200及所述谐波分析协处理单元300的读写速度，提升了谐波测量的处理速度。
再进一步地，所述谐波存储单元为SRAM。SRAM指静态随机存取存储器(StaticRandom-Access Memory)，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，节能高效，访问速度快。
另外，所述波形收发单元200还包括打包组件210；
所述打包组件210用于将所述谐波测量信息打包后，发送至外部网络。
还有，所述波形收发单元200通过SPI接口与其他元件信号连接。
所述波形收发单元200的一种具体实施方式的结构示意图可见图2，图中的波形收发单元200本身不具备直接与SRAM进行数据传输的能力，因此需要借助FIFO(First InputFirst Output)存储器与DMA(Direct Memory Access)与SRAM进行文件交换，具体工作流程如下：
(1)模拟前端采样电压电流信号，并经过一定滤波处理后，将经过或未经过准同步算法处理的波形信号通过SPI上传至所述智能电表芯片。
(2)MCU的SPI 0每接收到8bit的信号，通知所述波形收发模块进行处理。
(3)波形收发模块解析SPI 0接收到的信号，当判断接收到约定的帧头时，开始接收电压电流数据，为保证灵活性以适应单相表和三相表，帧长度设计成可以配置。接收完一帧的数据后，计算校验和，与接收到的校验和做比较。如果校验和有误，则丢弃此之前接收的当前周期的所有数据，从新开始一个周期的波形数据接收，以免影响FFT结果。如果校验和无误，则将数据暂存到FIFO中(步骤2、3由图2中解析组件承担)。
(4)当FIFO中存有数据时，会请求DMA将数据搬到SRAM，等待后续的处理。
(5)波形收发模块还可以将数据打包成另一帧格式，通过SPI 1发送到管理芯，所述管理芯为所述智能电表中的其他处理器。
作为一种具体实施方式，所述处理内核100可为Cortex-M0(CM0)内核或32位IMC指令集的RISC-V内核，也可根据实际情况选择其他相应内核。
本发明中的谐波分析协处理器从SRAM中获取电压电流数据，运算获得谐波测量信息，所述谐波测量信息可以包括各次谐波有效值、有功功率、无功功率和谐波含有率以及总畸变率。
本发明所提供的智能电表芯片，包括通过总线信号连接的处理内核100、波形收发单元200及谐波分析协处理单元300；所述波形收发单元200用于接收并校验完整帧信号；所述谐波分析协处理单元300用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；所述处理内核100用于控制智能电表。本发明在智能芯片上添加了波形收发单元200及谐波分析协处理单元300，将现有技术中由处理内核100执行的谐波测量转交由上述两单元处理，使处理内核100的传统任务，如通讯及控制等，能与谐波测量并行，解放了处理内核100的资源，保障智能电表的稳定运行。
在具体实施方式一的基础上，进一步对所述智能电表芯片的谐波分析协处理单元300做改进，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3所示，包括通过总线信号连接的处理内核100、波形收发单元200及谐波分析协处理单元300；
所述波形收发单元200用于接收并校验完整帧信号；
所述谐波分析协处理单元300用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；
所述处理内核100用于控制智能电表；
所述谐波分析协处理单元300包括FFT引擎组件310及数字信号处理组件320；
所述FFT引擎组件310用于根据所述完整帧信号确定对应的频域帧信号；
所述数字信号处理组件320用于根据所述频域帧信号确定所述谐波测量信息。
需要注意的是，图3中的仲裁器，用于确定所述FFT引擎组件310及所述数字信号处理组件320与所述SRAM之间的数据交换顺序，避免两组件之间“撞车”。
本具体实施方式中进一步说明了所述谐波分析协处理单元300的结构，其中，包括所述FFT引擎组件310及所述数字信号处理组件320，由于所述完整帧信号为时域信号，因此需要通过所述FFT引擎组件310转化为频域帧信号，转换得到的所述频域帧信号会进一步被所述数字信号处理组件320利用，确定所述谐波测量信息。
承接具体实施方式一中给出的例子，经过本具体实施方式的改进后，包括：
(1)谐波分析协处理器通过AHB总线接口与系统中其他组件进行互联，包含一个AHB slave接口和AHB master接口。AHB slave接口用于接收来自所述处理内核100的配置信息和控制信息。AHB master接口用于对系统总线上的SRAM的访问，以读取所述波形收发模块接收的电压电流信号(即所述完整帧信号)，并进行谐波测量。
(2)FFT引擎组件310从SRAM中获取经过同步处理或加窗处理的电压电流波形数据，进行FFT运算，将时域信号转换为频域信号，并存储到与输入同一地址空间的SRAM中。
(3)数字信号处理组件320从SRAM中获取频域信号，依次计算各次谐波的有效值、有功功率、无功功率和谐波含有率以及总畸变率。为完成这些运算，数字信号处理组件320支持定点数的加法、减法、乘法、除法和开方运算。
作为一种优选实施方式，所述谐波分析协处理单元300还包括能量桶330组件及对应的能量寄存器；
所述能量寄存器控制所述能量桶330组件对所述谐波测量信息实时累加，产生能量脉冲。
所述谐波测量结果存储在SRAM中，部分结果可以配置存储在所述寄存器中，由能量桶330模块进行实时累加，产生能量脉冲。本具体实施方式无需通过软件进行实时累加，提高了计算效率，降低了处理延迟，同时降低了系统复杂度，提高了工作稳定性。
在具体实施方式二的基础上，进一步对所述谐波分析协处理单元300做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图4所示，包括通过总线信号连接的处理内核100、波形收发单元200及谐波分析协处理单元300；
所述波形收发单元200用于接收并校验完整帧信号；
所述谐波分析协处理单元300用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；
所述处理内核100用于控制智能电表；
所述谐波分析协处理单元300包括FFT引擎组件310及数字信号处理组件320；
所述FFT引擎组件310用于根据所述完整帧信号确定对应的频域帧信号；
所述数字信号处理组件320用于根据所述频域帧信号确定所述谐波测量信息；
所述谐波分析协处理单元300还包括条件寄存器340；
所述条件寄存器340为预编程的寄存器，用于当满足预编程条件时，触发所述FFT引擎组件310和/或所述数字信号处理组件320开始工作。
所述谐波分析协处理单元300的FFT引擎组件310及数字信号处理组件320可以配置为自动触发模式及条件触发模式；
延续上述具体实施方式举例，在自动触发模式下，DMA的中断将触发FFT引擎组件310开始运算，FFT引擎组件310中断触发数字信号处理组件320开始运算，数字信号处理组件320处理完当前周期的数据后，产生中断通知处理内核100或电表中其他处理器，由对应的处理器从SRAM中读取谐波含有率，总畸变率等所述谐波测量信息。
在条件模式下，FFT引擎组件310和数字信号处理组件320的运算可以分别由所述条件寄存器340触发，这样软件可以对数据进行一定的处理后再交由硬件处理。比如，计量AFE(analog front end，模拟前端)上传的波形如果是非同步采样的，则需要由软件先做同步采样或进行加窗处理，再触发FFT引擎组件310进行运算，即DMA的中断将不会直接触发FFT引擎组件310开始运算，而是先将所述完整帧信号交予软件进行同步采样或进行加窗处理，完成后使所述条件寄存器340动作，所述FFT引擎组件310在所述条件寄存器340动作后，再接收经过软件处理的完整帧信号进行后续处理。
以准同步采样谐波测量算法为例，本发明提供的具体实施方式的流程如下：
a)计量AFE实时采样电压电流信号，滤波处理器后，将同步的波形通过SPI实时上传至所述智能电表芯片；
b)所述智能电表芯片的所述波形收发单元200实时接收波形数据，并通知DMA将数据搬运至SRAM；
c)DMA搬运一个周波的电压电流数据后，自动触发FFT引擎组件310进行运算；
d)FFT引擎组件310对各通道的波形数据做完FFT运算后触发数字信号处理组件320进行运算；
e)数字信号处理组件320利用FFT计算出的电压电流各次谐波的频域信息，计算出各次谐波的有效值、有功功率、无功功率和谐波含有率以及总畸变率，计算结束后产生中断；
f)软件在收到数字信号处理组件320处理完成中断后，可选地从SRAM中读取需要的谐波测量结果。
更进一步地，所述FFT引擎组件310在确定所述频域帧信号后，将所述频域帧信号存储于对应的完整帧信号的地址空间中。
通过将不同处理阶段的同一个周波的电压电流数据(即同一个所述完整帧信号)不断覆盖存储于存储空间的同一个地址空间中，可大大减小从所述完整帧信号到最后算出所述谐波测量信息的数据调用的检索步骤，由前文可知，所述波形收发单元200、所述FFT引擎组件310及所述数字信号处理组件320均需要与SRAM进行数据交换，因此同一个周波始终固定使用同一地址可大大减轻处理器检索文件位置的压力，提升处理效率，节省计算资源。
谐波分析协处理单元300的FFT引擎组件310和数字信号处理组件320可以以自动触发的方式开始工作，也可以以条件触发的方式开始工作。在自动触发下，无需软件参与即可完成同步采样谐波测量算法；在手动触发模式，可以结合软件完成多种谐波测量算法，灵活性高。
本发明同时还提供了一种智能电表，所述智能电表包括如上述任一种所述的智能电表芯片。本发明所提供的智能电表芯片，包括通过总线信号连接的处理内核100、波形收发单元200及谐波分析协处理单元300；所述波形收发单元200用于接收并校验完整帧信号；所述谐波分析协处理单元300用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；所述处理内核100用于控制智能电表。本发明在智能芯片上添加了波形收发单元200及谐波分析协处理单元300，将现有技术中由处理内核100执行的谐波测量转交由上述两单元处理，使处理内核100的传统任务，如通讯及控制等，能与谐波测量并行，解放了处理内核100的资源，保障智能电表的稳定运行。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，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。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的智能电表芯片及智能电表进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种智能电表芯片，其特征在于，包括通过总线信号连接的处理内核、波形收发单元及谐波分析协处理单元；
所述波形收发单元用于接收并校验完整帧信号；
所述谐波分析协处理单元用于根据所述完整帧信号，确定对应的谐波测量信息；
所述处理内核用于控制智能电表。
2.如权利要求1所述的智能电表芯片，其特征在于，所述谐波分析协处理单元包括FFT引擎组件及数字信号处理组件；
所述FFT引擎组件用于根据所述完整帧信号确定对应的频域帧信号；
所述数字信号处理组件用于根据所述频域帧信号确定所述谐波测量信息。
3.如权利要求2所述的智能电表芯片，其特征在于，所述谐波分析协处理单元还包括能量桶组件及对应的能量寄存器；
所述能量寄存器控制所述能量桶组件对所述谐波测量信息实时累加，产生能量脉冲。
4.如权利要求2所述的智能电表芯片，其特征在于，所述谐波分析协处理单元还包括条件寄存器；
所述条件寄存器为预编程的寄存器，用于当满足预编程条件时，触发所述FFT引擎组件和/或所述数字信号处理组件开始工作。
5.如权利要求2所述的智能电表芯片，其特征在于，所述FFT引擎组件在确定所述频域帧信号后，将所述频域帧信号存储于对应的完整帧信号的地址空间中。
6.如权利要求1所述的智能电表芯片，其特征在于，还包括谐波存储单元；
所述谐波存储单元为所述波形收发单元及所述谐波分析协处理单元对应的存储单元。
7.如权利要求6所述的智能电表芯片，其特征在于，所述谐波存储单元为SRAM。
8.如权利要求1所述的智能电表芯片，其特征在于，所述波形收发单元还包括打包组件；
所述打包组件用于将所述谐波测量信息打包后，发送至外部网络。
9.如权利要求1所述的智能电表芯片，其特征在于，所述波形收发单元通过SPI接口与其他元件信号连接。
10.一种智能电表，其特征在于，所述智能电表包括如权利要求1至9任一项所述的智能电表芯片。
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