CN114325089A - 一种基于ir46标准的单相电能计量芯片和智能物联表 - Google Patents

一种基于ir46标准的单相电能计量芯片和智能物联表 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于IR46标准的单相电能计量芯片和智能物联表，所述单相电能计量芯片包括电流电压信号采集和校正单元、全波测量和计量单元、谐波测量和计量单元、原始采样数据处理单元、端子测温单元、通信接口、能量输出接口和原始波形数据输出口，电流电压信号采集和校正单元用于对电压电流信号进行模数转换以及相位和增益校正；全波测量和计量单元用于获得全波数据，谐波测量和计量单元用于获得谐波数据，原始波形数据处理单元用于获得原始波形数据，端子测温单元用于获得端子测温数据。该单相电能计量芯片解决了电气隔离和模块之间连接可靠的问题，降低下一代智能物联表的开发和生产成本。

Description

一种基于IR46标准的单相电能计量芯片和智能物联表
技术领域
本发明属于电力领域，尤其涉及一种基于IR46标准的单相电能计量芯片和智能物联表。
背景技术
新一代单相智能物联电能表采用了多模块设计，主要包括计量芯模块和管理芯模块，其中计量芯模块主要负责电能的计量，管理芯模块负责数据处理和其他业务，两个模块之间有大量数据的交互。且需要进行电气隔离。由于目前市面上没有一款满足要求的单相计量芯片，计量芯模块只能采用单相计量SOC(System on Chip，系统级芯片)芯片，即带计量模块的MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)来实现，这种实现方式的计量芯模块和管理芯模块之间的接口较多且功能复杂，管理芯模块和计量芯模块之间数据交换频繁，因此一直面临着电气隔离和模块之间连接可靠的问题。
IR46：International Recommendation 46，有功电能表国际建议。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于IR46标准的单相电能计量芯片和智能物联表。
为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，包括电流电压信号采集和校正单元、全波测量和计量单元、谐波测量和计量单元、原始波形数据处理单元、端子测温单元、通信接口、能量输出接口和原始波形数据输出口，
所述电流电压信号采集和校正单元，用于对电压信号和电流信号进行模数转换，对模数转换后的信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据和电流信号校正后数据；
所述全波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得全波数据，所述全波数据包括全波有效值、全波功率、电网频率、功率因数和全波能量数据；
所述谐波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得谐波数据，所述谐波数据包括谐波有效值、谐波功率和谐波能量数据；
所述原始波形数据处理单元，用于对电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据进行处理，获得波形数据；
所述端子测温单元，包括测温信号采集和校正，用于对电能表四个接线端子温度的测量和监测，获得端子测温数据；
所述通信接口，用于和计量主控芯片之间的通信，计量主控芯片通过该通信接口控制所述单相电能计量芯片，并读取全波数据、谐波数据和端子测温数据；
所述能量输出接口，用于输出全波能量数据和谐波能量数据；
所述原始波形数据输出口，用于输出波形数据，采用主动输出模式。
结合第一方面，可选地，所述电流信号包括火线电流信号和零线电流信号，电流电压信号采集和校正单元包括第一采集和校正子单元、第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，
所述第一采集和校正子单元，包括第一模数转换器和电压信号通道，第一模数转换器用于对电压信号进行模数转换，获得电压数字信号；电压信号通道用于对电压数字信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据；
所述第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，均包括第一模数转换器、数字积分器和电流信号通道，所述电流信号通道和电压信号通道结构相同；
考虑到电压和电流信号的采样同步，因此需要三路完全独立的第一模数转换器对电压、电流信号进行采样。
第二采集和校正子单元输入火线电流信号，输出火线电流信号校正后数据；第三采集和校正子单元输入零线电流信号，输出零线电流信号校正后数据；对火线和零线电流信号分开进行相角和增益校正，校正分辨率能够达到万分之一。当火线电流信号和零线电流信号通过罗氏线圈采样获得，数字积分器开启；当火线电流信号和零线电流信号通过其他方式，如电阻和电流互感器等获得，数字积分器关闭。校正后数据包括对应信号的直流分量平均值、未经高通数据、经高通数据、非同步采样数据和同步采样数据，所述非同步采样数据和同步采样数据以DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)方式输出。
对应信号的未经高通数据、经高通数据、非同步采样数据和同步采样数据可以用于全波测量和计量单元、谐波测量和计量单元进行有效值、功率和能量等的计算；非同步采样数据和同步采样数据还需要输出给计量主控芯片、管理芯模块主控芯片、扩展模块1主控芯片和扩展模块2主控芯片，这些主控芯片会用来做一些自己的运算，通过DMA输出能保证数据的实时性。
结合第一方面，可选地，所述电压信号通道包括计量校正电路，所述计量校正电路包括相位校正电路、降采样电路、低通滤波器、高通滤波器、直流自动补偿电路、第一运算器、增益校正电路和第一选择器，
所述相位校正电路，用于对所述电压数字信号进行计量相位校正，获得计量相位校正数据；
所述降采样电路，用于对所述计量相位校正数据进行降采样处理，获得降采样数据；
所述低通滤波器，用于对所述降采样数据进行低通滤波，获得电压信号直流分量平均值；
所述直流自动补偿电路，用于对电压信号直流分量平均值进行直流补偿，获得直流补偿后数据；当直流自动补偿电路关闭时，直流补偿后数据为零；
所述第一运算器，用于降采样数据减去直流补偿后数据，获得第一运算值；
所述高通滤波器，用于对所述降采样数据进行高通滤波，获得第二交流分量值；
所述增益校正电路，用于分别对第一运算值和第二交流分量值进行计量增益校正，第一运算值经过增益校正电路后，获得电压信号未经高通数据；第二交流分量值经过增益校正电路后，获得电压信号经高通数据；
所述第一选择器，用于选择电压信号未经高通数据或者电压信号经高通数据，从而获得电压信号非同步采样数据。
结合第一方面，可选地，所述电压信号通道还包括波形校正电路，所述波形校正电路包括相位校正电路、同步采样电路、第二运算器和增益校正电路，
所述相位校正电路，还用于对所述电压数字信号进行波形相位校正，获得波形相位校正数据；
所述同步采样电路，用于对所述波形相位校正数据进行同步采样，获得同步采样数据；
将传统的误差校正从传统的对有效值、功率单独校正改到对第一模数转换器采样的原始数据进行校正，这样的好处：a)校正更加简单，b)传给管理芯模块和其他模块的原始波形数据无需再进行校正。
所述第二运算器，用于同步采样数据减去直流补偿后数据，获得第三运算值，
所述增益校正电路，还用于对所述第三运算值进行波形增益校正，获得电压信号同步采样数据。
结合第一方面，可选地，所述谐波有效值包括M分次谐波和总谐波电流和电压有效值，所述谐波功率包括M分次谐波和总谐波有功和无功功率，所述谐波能量数据包括M分次谐波和总谐波有功和无功能量数据；M表示谐波总数，1≤M≤41；
所述谐波测量和计量单元包括FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)算法子单元、1～M次谐波数据增益补偿电路和能量积分电路，
电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据作为数据源放入所述单相电能计量芯片内部的数据缓存区，FFT算法子单元每隔周期TFFT对电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据进行谐波运算，获得谐波运算结果；
1～M次谐波数据增益补偿电路，对谐波运算结果进行增益补偿，分别获得M分次谐波电流和电压有效值、M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率；
所述能量积分电路，分别对M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率进行能量积分运算，M分次谐波有功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波有功能量数据；M分次谐波无功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波无功能量数据。
结合第一方面，可选地，所述端子测温单元包括通道选择子单元、第二模数转换器、模拟增益电路和第一至第四增益校正电路，
所述通道选择子单元，用于选择第一火线端子、第二火线端子、第一零线端子和第二零线端子中的一个端子温度信号进入第二模数转换器；
所述第二模数转换器，用于对端子温度信号进行模数转换，获得端子温度数字信号；
考虑到输入端子温度信号的幅值和测量精度，第二模数转换器可以与第一模数转换器不同，第二模数转换器的精度为16比特即可。因为温度数据不需要那么快更新，因此只需要一路第二模数转换器分时复用。第二模数转换器的输入阻抗要求在200K以上。
所述模拟增益电路，用于从端子温度数字信号中获取端子温度增益值；
所述第一至第四增益校正电路，用于分别对第一火线端子温度增益值、第二火线端子温度增益值、第一零线端子温度增益值和第二零线端子温度增益值进行增益校正，获得对应的温度有效值。
结合第一方面，可选地，所述第一模数转换器每个周波的采样点数为NADC1，需要有同步采样功能，即随着电网频率的变化，每周波的采样点数固定。为了保证计量的带宽，NADC1≥128，第一模数转换器的精度为22比特，则电压信号校正后数据和电流信号校正后数据为22比特。
结合第一方面，可选地，所述原始波形数据处理单元包括通道选择子单元、输出点数处理子单元和数据组帧处理子单元，
所述通道选择子单元，用于选择波形数据输出电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据，以及选择校正后数据中的非同步采样数据或同步采样数据；电流电压信号采集和校正单元每完成一个采样点之后发送非同步采样数据和同步采样数据至通道选择子单元，非同步采样数据和同步采样数据均用三个字节表示；
所述输出点数处理子单元，用于根据非同步采样数据或同步采样数据每个周波输出的采样点数选择输出点数，获得输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据；当128≤NADC1＜256，输出点数为128；当NADC1≥256，输出点数为128或256；
所述数据组帧处理子单元，用于对输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据进行数据组帧处理，处理后的波形数据格式为：帧头+U+Ia+Ib+checksum；
其中，
帧头为一个字节；
U表示电压信号校正后数据，U＝U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2，U_Byte0～U_Byte2分别表示电压信号校正后数据三个字节表示；
Ia表示火线电流信号校正后数据，Ia＝Ia_Byte0+Ia_Byte1+Ia_Byte2，Ia_Byte0～Ia_Byte2分别表示火线电流信号校正后数据三个字节表示；
Ib表示零线电流信号校正后数据，Ib＝Ib_Byte0+Ib_Byte1+Ib_Byte2，Ib_Byte0～Ib_Byte2分别表示零线电流信号校正后数据三个字节表示；
U+Ia+Ib根据所述采样原始数据输出控制寄存器的配置进行调整；
checksum为电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据的累加和值取反，再加上0x33。
在单相电能计量芯片中对波形进行处理，使之满足下一代物联智能电能表对波形数据的传输数据格式要求，从而减少管理芯模块主控芯片、扩展模块1主控芯片和扩展模块2主控芯片的资源开销。
结合第一方面，可选地，所述通信接口采用UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，异步收发传输器)通信，1200～19200bps范围内波特率自适应；
所述能量输出口有一个以上，采用方波模式输出能量数据，方波的高电平持续时间为80ms；能够通过CF(Calibration Frequency，校准频率)脉冲输出控制寄存器配置能量输出口输出能量数据的种类。
第二方面，公开了一种基于IR46标准的智能物联表，包括计量芯模块，计量芯模块包括上述单相电能计量芯片和计量主控芯片，单相电能计量芯片和计量主控芯片之间采用耐压强度为4KV的电器隔离电路；
计量芯模块采用了单相电能计量芯片加通用主控芯片组合的方式来设计，电气隔离的位置在单相电能计量芯片和计量主控芯片之间，这样的不仅使电气隔离电路更具简单可靠，成本上也能降低不少。
有益效果：
采用本申请提供的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片配合通用的主控芯片设计的计量芯模块，能简化隔离电路设计，将完全避免人体和电网的接触，更加安全，很好的解决电气隔离和模块之间连接可靠的问题，能完全满足下一代智能物联电能表对计量的要求。同时所述单相电能计量芯片能大大简化下一代智能物联表的设计，降低下一代智能物联表的开发和生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为现有技术的新一代单相智能物联电表结构示意图之一。
图2为现有技术的新一代单相智能物联电表组件示意图。
图3为现有技术的新一代单相智能物联电表结构示意图之二。
图4为现有技术的计量芯模块和管理芯模块之间的接口示意图。
图5为本申请实施例提供的基于IR46标准的智能物联表结构示意图。
图6为本申请实施例提供的基于IR46标准的单相电能计量芯片结构示意图。
图7为本申请实施例提供的基于IR46标准的单相电能计量芯片中电流电压信号采集和校正单元的结构示意图。
图8为本申请实施例提供的基于IR46标准的单相电能计量芯片中谐波测量和计量单元的结构示意图。
图9为本申请实施例提供的基于IR46标准的单相电能计量芯片中端子测温单元的结构示意图。
图10为本申请实施例提供的基于IR46标准的单相电能计量芯片中原始波形数据处理单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
新一代单相智能物联电表采用多芯模组化的设计理念，实现法治计量功能与其他功能相互独立，功能框图和组件示意图如图1和图2所示：
1、新一代智能电能表主要由：计量芯模块、管理芯模块、功能扩展模块和上行模块及其他结构组件构成。
2、安装使用时，计量芯模块2和底壳1、上盖组件3组装成一个整体和电力线相连，管理芯模块5、上行模块6、功能扩展模块71和72及电池盒组件4在得到许可的情况下，可以热插拔更换。接线端子21是智能电能表与电网连接的接口，端子底座22是安装接线端粒，用于固定计量芯模块2。
3、计量芯模块作为计量标准器具不可更换，程序不可升级。
4、为了确保人员的安全，计量芯模组和其他功能模组必须进行电气隔离。
如前所述：由于没有满足要求的单相计量芯片，现行的新一代单相智能物联电表计量芯模块只能采用电能计量SoC芯片来实现，基于该方案设计的单相智能物联电能表整表如图3所示：
1、计量芯模块采用带有计量功能、MCU和RTC(Real Time Clock，实时时钟)等外设的SoC芯片设计。
2、因为采用SoC方案，整个计量芯模块实际上为强电区，为了确保管理芯模块的安全热插拔要求。计量芯模块和管理芯模块接口之间采用耐压强度为4KV的隔离。
3、因为计量芯模块的电流和电压的波形数据需要传输到功能扩展模块，因此计量芯模块与各功能扩展模块之间也采用了耐压强度为4KV的隔离。
4、电池是为了给计量芯的RTC模块供电，为了实现电池的热插拔，需要对电池盒及触点做特殊处理，以免人体接触到强电部分。
如上所述的基于SoC芯片设计的计量芯模块方案存在以下几个方面的问题：
1、计量芯模块和管理芯模块之间的接口较多且功能复杂，如图4所示：既有模拟信号，也有数字信号，既有高速通信口，也有普通的逻辑电平接口。因此在接口处实现电器隔离，电路会比较复杂，增加了设计难度和设计成本。
2、管理芯模块和计量芯模块之间数据交换频繁，SPI接口通信速率要求到达2Mbps，串口的通信速率要求到达115200bps。在隔离的情况下，如此高的通信速率很难保证通信的稳定性。尤其是高低温极端环境下，由于隔离器件受温度的影响，通信的可靠性更难保证。
本申请第一实施例提出了一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，如图6所示，包括电流电压信号采集和校正单元、全波测量和计量单元、谐波测量和计量单元、原始波形数据处理单元、端子测温单元、通信接口、能量输出接口和原始波形数据输出口，
所述电流电压信号采集和校正单元，用于对电压信号和电流信号进行模数转换，对模数转换后的信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据和电流信号校正后数据；
所述全波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得全波数据，所述全波数据包括全波有效值、全波功率、电网频率、功率因数和全波能量数据；
所述谐波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得谐波数据，所述谐波数据包括谐波有效值、谐波功率和谐波能量数据；
所述原始波形数据处理单元，用于对电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据进行处理，获得波形数据；
所述端子测温单元，包括测温信号采集和校正，用于对电能表四个接线端子温度的测量和监测，获得端子测温数据；
所述通信接口，用于和计量主控芯片之间的通信，计量主控芯片通过该通信接口控制所述单相电能计量芯片，并读取全波数据、谐波数据和端子测温数据；
所述能量输出接口，用于输出全波能量数据和谐波能量数据；
所述原始波形数据输出口，用于输出波形数据，采用主动输出模式，一般采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)主动模式。
如图7所示，所述电流信号包括火线电流信号和零线电流信号，电流电压信号采集和校正单元包括第一采集和校正子单元、第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，
所述第一采集和校正子单元，包括第一模数转换器ADC1和电压信号通道，第一模数转换器ADC1用于对电压信号进行模数转换，获得电压数字信号；电压信号通道用于对电压数字信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据；
所述第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，均包括第一模数转换器ADC1、数字积分器和电流信号通道，所述电流信号通道和电压信号通道结构相同；
第二采集和校正子单元输入火线电流信号，输出火线电流信号校正后数据；第三采集和校正子单元输入零线电流信号，输出零线电流信号校正后数据；
校正后数据包括对应信号的直流分量平均值、未经高通数据、经高通数据、非同步采样数据和同步采样数据，所述非同步采样数据和同步采样数据以DMA方式输出。
如图7所示，所述电压信号通道包括计量校正电路，所述计量校正电路包括相位校正电路、降采样电路、低通滤波器81、高通滤波器82、直流自动补偿电路、第一运算器83、增益校正电路和第一选择器85，
所述相位校正电路，用于对所述电压数字信号进行计量相位校正，获得计量相位校正数据；
所述降采样电路，用于对所述计量相位校正数据进行降采样处理，获得降采样数据；
所述低通滤波器81，用于对所述降采样数据进行低通滤波，获得电压信号直流分量平均值；
所述直流自动补偿电路，用于对电压信号直流分量平均值进行直流补偿，获得直流补偿后数据；当直流自动补偿电路关闭时，直流补偿后数据为零；可以通过直流补偿寄存器控制直流自动补偿电路的开启和关闭。
所述第一运算器83，用于降采样数据减去直流补偿后数据，获得第一运算值；
所述高通滤波器82，用于对所述降采样数据进行高通滤波，获得第二交流分量值；
所述增益校正电路，用于分别对第一运算值和第二交流分量值进行计量增益校正，第一运算值经过增益校正电路后，获得电压信号未经高通数据；第二交流分量值经过增益校正电路后，获得电压信号经高通数据；
所述第一选择器85，用于选择电压信号未经高通数据或者电压信号经高通数据，从而获得电压信号非同步采样数据。实际应用中，例如需要做直流计量或者需要快速获取计量数据，对精度要求较低的场景，可以选择电压信号未经高通数据；对精度要求较高，响应速度不用那么快的场景，可以选择电压信号经高通数据。
如图7所示，所述电压信号通道还包括波形校正电路，所述波形校正电路包括相位校正电路、同步采样电路、第二运算器84和增益校正电路，
所述相位校正电路，还用于对所述电压数字信号进行波形相位校正，获得波形相位校正数据；
所述同步采样电路，用于对所述波形相位校正数据进行同步采样，获得同步采样数据；
所述第二运算器84，用于同步采样数据减去直流补偿后数据，获得第三运算值，
所述增益校正电路，还用于对所述第三运算值进行波形增益校正，获得电压信号同步采样数据。
所述谐波有效值包括M分次谐波和总谐波电流和电压有效值，所述谐波功率包括M分次谐波和总谐波有功和无功功率，所述谐波能量数据包括M分次谐波和总谐波有功和无功能量数据；M表示谐波总数，1≤M≤41；本实施例中，根据智能物联网的要求，M取值为41。
如图8所示，所述谐波测量和计量单元包括FFT算法子单元、1～M次谐波数据增益补偿电路和能量积分电路，
电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据作为数据源放入所述单相电能计量芯片内部的数据缓存区，FFT算法子单元每隔周期TFFT对电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据进行谐波运算，获得谐波运算结果；本实施例中，TFFT取值为20ms。
1～M次谐波数据增益补偿电路，对谐波运算结果进行增益补偿，分别获得M分次谐波电流和电压有效值、M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率；
所述能量积分电路，分别对M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率进行能量积分运算，M分次谐波有功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波有功能量数据；M分次谐波无功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波无功能量数据。
如图9所示，所述端子测温单元包括通道选择子单元、第二模数转换器ADC2、模拟增益电路和第一至第四增益校正电路，
所述通道选择子单元，用于选择第一火线端子温度信号AN0、第二火线端子温度信号AN1、第一零线端子温度信号AN2和第二零线端子温度信号AN3中的一个温度信号进入第二模数转换器ADC2；用户可以采用分时复用的模式通过控制寄存器选择到第二模拟器的通道，也可以让第二模拟器自动在AN0～AN3通道之间换。
所述第二模数转换器ADC2，用于对端子温度信号进行模数转换，获得端子温度数字信号；
所述模拟增益电路，用于从端子温度数字信号中获取端子温度增益值；
所述第一至第四增益校正电路，用于分别对第一火线端子温度增益值、第二火线端子温度增益值、第一零线端子温度增益值和第二零线端子温度增益值进行增益校正，获得对应的温度有效值。每个通道有对应的有效值输出，有效值的刷新周期为1秒。
所述第一模数转换器ADC1每个周波的采样点数为NADC1，NADC1≥128，第一模数转换器ADC1的精度为22比特，则电压信号校正后数据和电流信号校正后数据为22比特。
如图10所示，所述原始波形数据处理单元包括通道选择子单元、输出点数处理子单元和数据组帧处理子单元，
所述通道选择子单元，用于选择波形数据输出电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据，以及选择校正后数据中的非同步采样数据或同步采样数据；电流电压信号采集和校正单元每完成一个采样点之后发送非同步采样数据和同步采样数据至通道选择子单元，非同步采样数据和同步采样数据均用三个字节表示；通道选择子单元的电路可以使用寄存器和选择器实现。
所述输出点数处理子单元，用于根据非同步采样数据或同步采样数据每个周波输出的采样点数选择输出点数，获得输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据；当128≤NADC1＜256，输出点数为128；当NADC1≥256，输出点数为128或256；
所述数据组帧处理子单元，用于对输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据进行数据组帧处理，处理后的波形数据格式为：帧头+U+Ia+Ib+checksum；
其中，
帧头为一个字节，该字节由用户自己填写：单相电能计量芯片预留一个寄存器由用户写入需要发送的帧头，比如用户写入0x7D；
U表示电压信号校正后数据，U＝U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2，U_Byte0～U_Byte2分别表示电压信号校正后数据三个字节表示；
Ia表示火线电流信号校正后数据，Ia＝Ia_Byte0+Ia_Byte1+Ia_Byte2，Ia_Byte0～Ia_Byte2分别表示火线电流信号校正后数据三个字节表示；
Ib表示零线电流信号校正后数据，Ib＝Ib_Byte0+Ib_Byte1+Ib_Byte2，Ib_Byte0～Ib_Byte2分别表示零线电流信号校正后数据三个字节表示；
U+Ia+Ib根据所述采样原始数据输出控制寄存器的配置进行调整；
checksum为电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据的累加和值取反，再加上0x33。
如果波形数据选择输出电压信号校正后数据，即只选择传输U通道，则checksum＝0x33+～(U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2)；如果波形数据选择输出电压信号校正后数据和火线电流信号校正后数据(同时选择发送U和Ia的采样数据)，则checksum＝0x33+～(U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2+Ia_Byte0+Ia_Byte1+Ia_Byte2)；
如果波形数据选择输出电压信号校正后数据和火线电流信号校正后数据，则单相电能计量芯片每完成一次采样，发送的波形数据格式如下：
0x7d+U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2+Ia_Byte0+Ia_Byte1+Ia_Byte2+checksum
所述通信接口采用UART通信，1200～19200bps范围内波特率自适应；
所述能量输出口有一个以上，采用方波模式输出能量数据，方波的高电平持续时间为80ms；能够通过CF脉冲输出控制寄存器配置能量输出口输出能量数据的种类。本实施例中，考虑到芯片尺寸和管脚数量及物联表的需求，能量输出口设置为两个。
本申请第二实施例提出了一种基于IR46标准的智能物联表，如图5所示，包括计量芯模块，计量芯模块包括权利要求1-9任一项所述的单相电能计量芯片和计量主控芯片，单相电能计量芯片和计量主控芯片之间采用耐压强度为4KV的电器隔离电路。
本发明实施例中未展开描述的电路或者子单元对应的电路均采用本领域技术人员公知的现有技术获得，在此不做限定。
本发明提供了一种基于IR46标准的单相电能计量芯片和智能物联表的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，包括电流电压信号采集和校正单元、全波测量和计量单元、谐波测量和计量单元、原始波形数据处理单元、端子测温单元、通信接口、能量输出接口和原始波形数据输出口，
所述电流电压信号采集和校正单元，用于对电压信号和电流信号进行模数转换，对模数转换后的信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据和电流信号校正后数据；
所述全波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得全波数据，所述全波数据包括全波有效值、全波功率、电网频率、功率因数和全波能量数据；
所述谐波测量和计量单元，用于根据电压信号校正后数据和电流信号校正后数据，计算获得谐波数据，所述谐波数据包括谐波有效值、谐波功率和谐波能量数据；
所述原始波形数据处理单元，用于对电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据进行处理，获得波形数据；
所述端子测温单元，包括测温信号采集和校正，用于对电能表四个接线端子温度的测量和监测，获得端子测温数据；
所述通信接口，用于和计量主控芯片之间的通信，计量主控芯片通过该通信接口控制所述单相电能计量芯片，并读取全波数据、谐波数据和端子测温数据；
所述能量输出接口，用于输出全波能量数据和谐波能量数据；
所述原始波形数据输出口，用于输出波形数据，采用主动输出模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述电流信号包括火线电流信号和零线电流信号，电流电压信号采集和校正单元包括第一采集和校正子单元、第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，
所述第一采集和校正子单元，包括第一模数转换器和电压信号通道，第一模数转换器用于对电压信号进行模数转换，获得电压数字信号；电压信号通道用于对电压数字信号进行相位和增益校正，获得电压信号校正后数据；
所述第二采集和校正子单元和第三采集和校正子单元，均包括第一模数转换器、数字积分器和电流信号通道，所述电流信号通道和电压信号通道结构相同；
第二采集和校正子单元输入火线电流信号，输出火线电流信号校正后数据；第三采集和校正子单元输入零线电流信号，输出零线电流信号校正后数据；
校正后数据包括对应信号的直流分量平均值、未经高通数据、经高通数据、非同步采样数据和同步采样数据，所述非同步采样数据和同步采样数据以DMA方式输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述电压信号通道包括计量校正电路，所述计量校正电路包括相位校正电路、降采样电路、低通滤波器(81)、高通滤波器(82)、直流自动补偿电路、第一运算器(83)、增益校正电路和第一选择器(85)，
所述相位校正电路，用于对所述电压数字信号进行计量相位校正，获得计量相位校正数据；
所述降采样电路，用于对所述计量相位校正数据进行降采样处理，获得降采样数据；
所述低通滤波器(81)，用于对所述降采样数据进行低通滤波，获得电压信号直流分量平均值；
所述直流自动补偿电路，用于对电压信号直流分量平均值进行直流补偿，获得直流补偿后数据；当直流自动补偿电路关闭时，直流补偿后数据为零；
所述第一运算器(83)，用于降采样数据减去直流补偿后数据，获得第一运算值；
所述高通滤波器(82)，用于对所述降采样数据进行高通滤波，获得第二交流分量值；
所述增益校正电路，用于分别对第一运算值和第二交流分量值进行计量增益校正，第一运算值经过增益校正电路后，获得电压信号未经高通数据；第二交流分量值经过增益校正电路后，获得电压信号经高通数据；
所述第一选择器(85)，用于选择电压信号未经高通数据或者电压信号经高通数据，从而获得电压信号非同步采样数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述电压信号通道还包括波形校正电路，所述波形校正电路包括相位校正电路、同步采样电路、第二运算器(84)和增益校正电路，
所述相位校正电路，还用于对所述电压数字信号进行波形相位校正，获得波形相位校正数据；
所述同步采样电路，用于对所述波形相位校正数据进行同步采样，获得同步采样数据；
所述第二运算器(84)，用于同步采样数据减去直流补偿后数据，获得第三运算值，
所述增益校正电路，还用于对所述第三运算值进行波形增益校正，获得电压信号同步采样数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述谐波有效值包括M分次谐波和总谐波电流和电压有效值，所述谐波功率包括M分次谐波和总谐波有功和无功功率，所述谐波能量数据包括M分次谐波和总谐波有功和无功能量数据；M表示谐波总数，1≤M≤41；
所述谐波测量和计量单元包括FFT算法子单元、1～M次谐波数据增益补偿电路和能量积分电路，
电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据作为数据源放入所述单相电能计量芯片内部的数据缓存区，FFT算法子单元每隔周期TFFT对电压信号同步采样数据和电流信号同步采样数据进行谐波运算，获得谐波运算结果；
1～M次谐波数据增益补偿电路，对谐波运算结果进行增益补偿，分别获得M分次谐波电流和电压有效值、M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率；
所述能量积分电路，分别对M分次谐波有功功率和M分次谐波无功功率进行能量积分运算，M分次谐波有功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波有功能量数据；M分次谐波无功功率经过能量积分电路后，获得M分次谐波和总谐波无功能量数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述端子测温单元包括通道选择子单元、第二模数转换器、模拟增益电路和第一至第四增益校正电路，
所述通道选择子单元，用于选择第一火线端子、第二火线端子、第一零线端子和第二零线端子中的一个端子温度信号进入第二模数转换器；
所述第二模数转换器，用于对端子温度信号进行模数转换，获得端子温度数字信号；
所述模拟增益电路，用于从端子温度数字信号中获取端子温度增益值；
所述第一至第四增益校正电路，用于分别对第一火线端子温度增益值、第二火线端子温度增益值、第一零线端子温度增益值和第二零线端子温度增益值进行增益校正，获得对应的温度有效值。
7.根据权利要求6所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述第一模数转换器每个周波的采样点数为NADC1，NADC1≥128，第一模数转换器的精度为22比特，则电压信号校正后数据和电流信号校正后数据为22比特。
8.根据权利要求7所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述原始波形数据处理单元包括通道选择子单元、输出点数处理子单元和数据组帧处理子单元，
所述通道选择子单元，用于选择波形数据输出电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据，以及选择校正后数据中的非同步采样数据或同步采样数据；电流电压信号采集和校正单元每完成一个采样点之后发送非同步采样数据和同步采样数据至通道选择子单元，非同步采样数据和同步采样数据均用三个字节表示；
所述输出点数处理子单元，用于根据非同步采样数据或同步采样数据每个周波输出的采样点数选择输出点数，获得输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据；当128≤NADC1＜256，输出点数为128；当NADC1≥256，输出点数为128或256；
所述数据组帧处理子单元，用于对输出点数处理后的非同步采样数据或同步采样数据进行数据组帧处理，处理后的波形数据格式为：帧头+U+Ia+Ib+checksum；
其中，
帧头为一个字节；
U表示电压信号校正后数据，U＝U_Byte0+U_Byte1+U_Byte2，U_Byte0～U_Byte2分别表示电压信号校正后数据三个字节表示；
Ia表示火线电流信号校正后数据，Ia＝Ia_Byte0+Ia_Byte1+Ia_Byte2，Ia_Byte0～Ia_Byte2分别表示火线电流信号校正后数据三个字节表示；
Ib表示零线电流信号校正后数据，Ib＝Ib_Byte0+Ib_Byte1+Ib_Byte2，Ib_Byte0～Ib_Byte2分别表示零线电流信号校正后数据三个字节表示；
U+Ia+Ib根据所述采样原始数据输出控制寄存器的配置进行调整；
checksum为电压信号校正后数据和/或电流信号校正后数据的累加和值取反，再加上0x33。
9.根据权利要求8所述的一种基于IR46标准的单相电能计量芯片，其特征在于，所述通信接口采用UART通信，1200～19200bps范围内波特率自适应；
所述能量输出口有一个以上，采用方波模式输出能量数据，方波的高电平持续时间为80ms；能够通过CF脉冲输出控制寄存器配置能量输出口输出能量数据的种类。
10.一种基于IR46标准的智能物联表，包括计量芯模块，其特征在于，计量芯模块包括权利要求1-9任一项所述的单相电能计量芯片和计量主控芯片，单相电能计量芯片和计量主控芯片之间采用耐压强度为4KV的电器隔离电路。
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