CN202093092U - 一种全能电能计量芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全能电能计量芯片，包括：3路二阶16位∑-ΔADC，用于同时采样三路模拟信号并将采样的模拟信号转换为高精度的数字信号；3路梳状数字滤波器，分别与3路二阶16位∑-ΔADC输出端连接，用于将输入的数字信号进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，保证数字信号的有效位数；3路高通滤波器，分别与3路梳状数字滤波器输出端连接，用于滤除采样信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值；电参数计量单元，与3路高通滤波器连接，用于将滤波后的信号进行计量得到电参数；电源管理单元，用于为3路二阶16位∑-ΔADC和电参数计量单元提供电源。本实用新型具有设置灵活，开发周期短和通讯可靠性高的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微电子技术领域，尤其是一种全能电能计量芯片。
背景技术
我国是一个电能表应用大国，每年全国需求约3000万台，目前我国的电能表主要有机械电能表、机电一体化电能表及全电子式电能表。由于电子工艺的发展与进步以及电能表技术的发展，全电子式电能表的可靠性、稳定性、经济性都有了极大的提高，目前全电子式电能表所占市场份额在70％左右，由于电能表牵涉到千家万户，根据市场需求，电能表需要进一步增加功能，提高可靠性。
目前电能表中用到的专用电能计量芯片，存在着以下几方面的缺陷：1、程序部分已经由芯片厂家固化，用户只能访问和设置相关的寄存器，即用户不能根据自己的需求更改程序来满足一些不同的要求，若按照用户的需求由厂家来更改，则需要很长的周期，影响了整个产品的上市时间；2、不具备判断火线电流和零线电流的大小，存在被窃电的问题；3、计量芯片与外部MCU的通讯方式只有SPI，由于SPI通讯本身的特性决定了采用这种方式的可靠性不高，通讯的正确与否不能得到保证。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种全能电能计量芯片。本实用新型具有设置灵活，开发周期短和通讯可靠性高的特点。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：一种全能电能计量芯片，其特征在于，包括：
3路二阶16位∑-ΔADC，用于同时采样三路模拟信号并将采样的模拟信号转换为数字信号；
3路梳状数字滤波器，分别与3路二阶16位∑-ΔADC输出端连接，用于将输入的数字信号进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，保证数字信号的有效位数；
3路高通滤波器，分别与3路梳状数字滤波器输出端连接，用于滤除采样信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值；
电参数计量单元，与3路高通滤波器连接，用于将滤波后的信号进行计量得到电参数；
电源管理单元，用于为3路二阶16位∑-ΔADC和电参数计量单元提供电源。
前述的全能电能计量芯片中，所述的3路二阶16位∑-ΔADC的输入端分别连接有可编程增益放大器PGA，用于对小信号进行放大，保证宽电流范围的准确测量。
前述的全能电能计量芯片中，所述的电参数计量单元的输出端连接有脉冲发生器和通信接口，通信接口包括UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口，用于完成电参数的读取，实现电参数计量单元的计量结果与外围设备间的数据交换。
前述的全能电能计量芯片中，所述的电参数计量单元，是内部设有可编程的16K字节的程序存储单元和512字节的数据存储单元且主频可调的数字信号处理器，最高主频为8MHz，可根据不同的工作模式和测量要求选择不同的采样频率。
前述的全能电能计量芯片中，所述的三路模拟信号包括火线电流 信号、零线电流信号和电压信号，用于将火线电流信号与零线电流信号的大小进行比较实现防窃电功能。
前述的全能电能计量芯片中，所述的电参数包括火线的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率，零线的电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。
根据前述的全能电能计量芯片实现的电能计量方法中，将电压测量、火线电流测量和零线电流测量信号转换成数字信号，将数字信号通过梳状数字滤波器进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，再通过高通滤波器滤除测量信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值，最后通过电参数计量单元将滤波后的信号进行计量得到电参数。
前述的电能计量方法中，所述的将电压测量、火线电流测量和零线电流测量信号转换成数字信号的方法，是通过三路采样电路对电压信号、火线电流信号和零线电流信号进行采样得到三路模拟信号，并通过可编程增益放大器对三路模拟信号进行放大，再通过二阶16位∑-ΔADC将采样的模拟信号转换为数字信号。
前述的电能计量方法中，通过判断火线电流和零线电流的大小，当检测到两路电流不平衡时，自动选择较大电流通道来计量，实现防窃电功能。
前述的电能计量方法中，所述的电参数计量单元通过UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口，实现电参数计量单元的计量结果与外围设备间的数据交换。
本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型采用内部设有可编程的16K字节的程序存储单元和512字节的数据存储单元且主频可调的数字信号处理器作为电参数计量单元，对转换后的数字量 进行计算得到电参数，该数字信号处理器具有16位的精简指令结构，125ns的指令周期，精简的指令和高效的架构，为大量的数据运算提供了保障；内部集成32位x32位、16位x16位的硬件乘法器，支持乘加运算，提高了代码效率；内部16K字节的程序存储单元和512字节的数据存储单元都是可编程的，设置灵活，开发周期比较短，为用户的多样化需求提供了可能；可编程的程序存储单元，可以存储电能计量的算法程序，内置数据存储单元，可保存电表校准后的参数，这些参数掉电不丢失，再次上电时不需重新配置，还可以根据不同用户的需求开发不同的应用程序。与外围设备(如MCU主控芯片)间的连接采用UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口，通讯方式灵活方便；在SPI通讯中增加累加和校验码，即将接收到的命令码与发送的数据进行累加，作为校验码在通讯数据结束后发送给MCU主控芯片，MCU主控芯片可以根据接收到的校验码与自己产生的校验码进行比较来判断通讯是否成功，这样就需要在常规的SPI通讯模式下增加一个字节作为校验码，提高通讯的可靠性。也可采用UART通讯方式，而UART通讯有起始位、偶校验位和停止位，这样通讯的可靠性也可以得到保证，另外在隔离的通讯方式中，使用UART方式可以节省隔离器件，具有降低成本的优势。还能通过判断火线电流和零线电流的大小，当检测到两路电流不平衡时，自动选择较大电流通道来计量，实现防窃电功能。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是实施例中的相位校准示意图；
图3是本实用新型的应用示意图；
图4是电压采样电路；
图5是电流采样电路；
图6电压有效值的计算原理图；
图7有功功率测量的原理图；
图8无功功率测量的原理图；
图9视在功率测量的原理图。
附图中的标记为：1-可编程增益放大器PGA，2-二阶16位∑-ΔADC，3-梳状数字滤波器，4-高通滤波器，5-电参数计量单元，6-脉冲发生器，7-通信接口，8-UART通信接口，9-SPI通信接口，10-电源管理单元，11-三路模拟信号，12-火线电流信号，13-零线电流信号，14-电压信号，15-全能电能计量芯片，16-通信模块，17-按键模块，18-存储器。
下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，本实用新型的实施方式不限于下述实施例，在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出的各种变化均属于本实用新型的保护范围之内。
具体实施方式
实施例。一种全能电能计量芯片，构成如图1所示，其特征在于，包括：
3路二阶16位∑-ΔADC2，用于同时采样三路模拟信号11并将采样的模拟信号转换为数字信号，所述的二阶16位∑-ΔADC2能支持差分信号的输入，最高时钟速率达1MHz；
3路梳状数字滤波器3，分别与3路二阶16位∑-ΔADC2输出端连接，用于将输入的数字信号进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，保证数字信号的有效位数；
3路高通滤波器4，分别与3路梳状数字滤波器3输出端连接，用于滤除采样信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值；
电参数计量单元5，与3路高通滤波器4连接，用于将滤波后的信号进行计量得到电参数；
电源管理单元10，用于为3路二阶16位∑-ΔADC2和电参数计量单元5提供电源。
所述的3路二阶16位∑-ΔAD2C的输入端分别连接有可编程增益放大器(PGA)1，用于对小信号进行放大，保证宽电流范围的准确测量，所述的可编程增益放大器通过采样电路进行采样，采样电路通过选取电压和电流采样电路的RC时间常数，保证电流和电压在采样电路上的时间延迟在一定的范围内；完全独立的3路二阶16位∑-ΔADC可以对电压和电流同时进行采样和转换，并且每一个转换通道可以预设数值，实现延迟或提前采样和转换；相位校准如图2所示，可通过修改相位校准因子的方法对由电流互感器和模拟前端引入的相位差进行全面的校准。
所述的电参数计量单元5的输出端连接有脉冲发生器6和通信接口7，通信接口7包括UART通信接口8或具有校验码的SPI通信接口9，用于完成电参数的读取，实现电参数计量单元的计量结果与外围设备间的数据交换。
所述的电参数计量单元5，是内部设有可编程的16K字节的程序存储单元和512字节的数据存储单元且主频可调的数字信号处理器，最高主频为8MHz，可根据不同的工作模式和测量要求选择不同的采样频率，该数字信号处理器具有16位的精简指令结构，125ns的指令周期，精简的指令和高效的架构，为大量的数据运算提供了保障；内部集成32位x32位、16位x16位的硬件乘法器，支持乘加运算，提高了代码效率。
所述的三路模拟信号11包括火线电流信号12、零线电流信号13和电压信号14。
所述的电参数包括火线的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率，零线的电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。
实现上述的全能电能计量芯片实现的电能计量方法，其特征在于：将电压测量、火线电流测量和零线电流测量信号转换成数字信号，将数字信号通过梳状数字滤波器进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，再通过高通滤波器滤除测量信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值，最后通过电参数计量单元将滤波后的信号进行计量得到电参数。
所述的将电压测量、火线电流测量和零线电流测量信号转换成数字信号的方法，是通过三路采样电路对电压信号、火线电流信号和零线电流信号进行采样得到三路模拟信号，并通过可编程增益放大器对三路模拟信号进行放大，再通过二阶16位∑-ΔADC将采样的模拟信号转换为数字信号。
通过判断火线电流和零线电流的大小，当检测到两路电流不平衡时，自动选择较大电流通道来计量，实现防窃电功能。
所述的电参数计量单元通过UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口，实现电参数计量单元的计量结果与外围设备间的数据交换。
本实用新型的应用如下，将全能电能计量芯片15通过UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口与MCU主控芯片连接组成单相电表的电路，实现单相电表的各种功能，如图3所示，利用UART通信接口或具有校验码的SPI通信接口传递数据给MCU主控芯片，并通过 MCU主控芯片控制LCD显示、数据的存储和抄表通讯功能，MCU主控芯片还连接有通信模块16、按键模块17和存储器18，通信模块16可对外进行无线通信，按键模块17可进行按键操作，存储器18可存储数据，方便使用。利用连接全能电能计量芯片的采样电路采样模拟信号，采样电路包括电流采样电路和电压采样电路。电流采样电路可以是电流互感器取样，也可以是锰铜分流器取样。电流互感器取样是将被测信号通过CT的变比，转化为适合全能电能计量芯片测量的小信号，同时使得测量电路与被测信号隔离。锰铜分流器取样是将锰铜直接串入电流回路，根据锰铜电阻上的压降与流过的电流大小成正比的关系，得到被测电流的数值。电压采样电路是通过电阻分压，将220V的交流电压降为几百毫伏的交流信号，输入电压通道的二阶16位∑-ΔADC转换为数字信号，再根据电参数的计算原理将这些数字量经过各种处理和运算，转换为需要的电参数，可以计算出电流、电压的有效值、有功功率、无功功率和视在功率，并将这些功率值累加，得到相应的能量。MCU主控芯片通过SPI通讯接口读取这些电参数，进行分析处理，根据这些数据判断是否要做出相应的动作，控制与其连接的外设。
电压采样电路和电流采样电路分别如图4和5所示，采集火线和零线上的电压和电流信号，输入全能电能计量芯片15的ADC端口(即二阶16位∑-ΔADC)，完成模拟信号到数字信号的转换，数字信号先经梳状数字滤波器，滤除量化噪声，再经过高通滤波器，滤除采样信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值。
电压有效值的计算原理如图6所示，电压瞬时采样值先经过高通滤波器，滤除直流分量，将此瞬时采样值做平方运算，并累加起来，然后除以累加的个数，并开平方根，最后乘以电压有效值的增益系数，此时就是电压有效值数据。
有功功率测量的原理见图7。无功功率是对电压信号移相-90度后，再按照有功功率的方法计算平均无功功率值。
无功功率测量的原理见图8。将平均有功功率和无功功率分别平方再相加，再开平方根，就得到视在功率。
视在功率测量的原理见图9。MCU主控芯片通过SPI或UART通讯接口读取全能电能计量芯片中测量到的电参数，同时通过MCU主控芯片将上位机计算出来的校表参数回传给全能电能计量芯片，并保存在全能电能计量芯片内部的信息程序存储单元中，MCU主控芯片根据全能电能计量芯片输出的高频脉冲数来累加能量，并存入外部E2P程序存储单元中，更新LCD的显示。
Claims (4)
1.一种全能电能计量芯片，其特征在于，包括：
3路二阶16位∑-ΔADC(2)，用于同时采样三路模拟信号(11)并将采样的模拟信号转换为数字信号；
3路梳状数字滤波器(3)，分别与3路二阶16位∑-ΔADC(2)输出端连接，用于将输入的数字信号进行滤波，滤除数字信号本身固有的量化噪声，保证数字信号的有效位数；
3路高通滤波器(4)，分别与3路梳状数字滤波器(3)输出端连接，用于滤除采样信号中的直流分量和集成电路本身的直流偏置值；
电参数计量单元(5)，与3路高通滤波器(4)连接，用于将滤波后的信号进行计量得到电参数；
电源管理单元(10)，用于为3路二阶16位∑-ΔADC(2)和电参数计量单元(5)提供电源。
2.根据权利要求1所述的全能电能计量芯片，其特征在于：所述的3路二阶16位∑-ΔADC(2)的输入端分别连接有可编程增益放大器PGA(1)，用于对小信号进行放大，保证宽电流范围的准确测量。
3.根据权利要求1所述的全能电能计量芯片，其特征在于：所述的电参数计量单元(5)的输出端连接有脉冲发生器(6)和通信接口(7)，通信接口(7)包括UART通信接口(8)或具有校验码的SPI通信接口(9)，用于完成电参数的读取，实现电参数计量单元的计量结果与外围设备间的数据交换。
4.根据权利要求1所述的全能电能计量芯片，其特征在于：所 述的电参数计量单元(5)，是内部设有可编程的16K字节的程序存储单元和512字节的数据存储单元且主频可调的数字信号处理器，最高主频为8MHz，可根据不同的工作模式和测量要求选择不同的采样频率。
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