CN214174475U - 一种单相智能电表及其计量模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种计量模组，包括与市电连通并用于计量电能参数的计量芯片、与计量芯片信号连接并用于控制其运行状态的计量MCU、与计量MCU信号连接并进行数据互通的管理MCU，以及连接于计量芯片的信号接口与计量MCU的信号接口之间、用于在两者间形成电气隔离的隔离电路。本实用新型将单芯片Soc拆分为执行不同功能的计量芯片与计量MCU，如此只需对计量芯片与计量MCU之间执行电气隔离，无需在计量MCU与管理MCU之间再设置隔离电路，从而避免对两者之间的通信造成影响，因此能够在对计量模组的强电部分实现电气隔离的基础上，简化计量模组与管理模组间的连接结构，保证计量模组与管理模组间的通信稳定。本实用新型还公开一种单相智能电表，其有益效果如上。

Description

一种单相智能电表及其计量模组

技术领域

本实用新型涉及智能电表技术领域，特别涉及一种计量模组。本实用新型还涉及一种单相智能电表。

背景技术

随着电气技术的发展，各式各样的电气设备已得到广泛应用。

以智能电表为例，智能电表是智能电网数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。

目前，智能电表一般采用多模块设计，主要由计量模组、管理模组、功能扩展模组和上行模组等组件构成，其中计量模组主要负责电能的计量，是电能表的核心模组，其直接与强电连接，且和管理模组之间通过管理MCU实现大量数据交互。在安装使用时，计量模组和底壳、上盖组件组装成一个整体和电力线相连，而管理模组、上行模块、功能扩展模块及电池组件等在得到许可的情况下可以进行热插拔更换。为了确保人员的安全，计量模组和管理模组之间必须进行电气隔离。

在现有技术中，智能电表的计量模组主要采用单芯片Soc来实现电能参数计量，该Soc芯片集成了计量功能、MCU功能和RTC等外设，基本实现了计量模组的全部功能。由于单芯片Soc需要与强电连通，因此整个计量模组实际上均为强电区，为了确保管理模组的安全热插拔要求，计量模组和管理模组的接口之间需采用耐压强度为4KV的电气隔离措施。

然而，计量模组和管理模组之间的接口较多且功能复杂，其中既有模拟信号，也有数字信号，既有高速通信口，也有逻辑电平接口，因此若在两者间的接口处实现电气隔离，隔离电路的结构将非常复杂，大幅增加了设计难度和设计成本。并且，管理模组和计量模组之间的数据交换频繁，比如SPI接口通信速率要求到达2Mbps，而串口的通信速率要求到达115200bps，在通过隔离电路进行电气隔离的情况下，如此高的通信速率将很难保证通信的稳定性，尤其是高温等极端环境下，由于隔离电路不可避免地受到温度的影响，管理模组与计量模组之间的通信可靠性更难保证。

因此，如何在对计量模组的强电部分实现电气隔离的基础上，简化计量模组与管理模组间的连接结构，保证计量模组与管理模组间的通信稳定，是本领域技术人员面临的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种计量模组，能够在对计量模组的强电部分实现电气隔离的基础上，简化计量模组与管理模组间的连接结构，保证计量模组与管理模组间的通信稳定。本实用新型的另一目的是提供一种单相智能电表。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种计量模组，包括与市电连通并用于计量电能参数的计量芯片、与所述计量芯片信号连接并用于控制其运行状态的计量MCU、与所述计量MCU信号连接并进行数据互通的管理MCU，以及连接于所述计量芯片的信号接口与所述计量MCU的信号接口之间、用于在两者间形成电气隔离的隔离电路。

优选地，所述隔离电路包括连接于所述计量芯片的低速信号接口与所述计量MCU的低速信号接口之间的低速隔离连接器，以及连接于所述计量芯片的高速信号接口与所述计量MCU的高速信号接口之间的高速隔离连接器。

优选地，所述低速隔离连接器具体为低速光耦，所述高速隔离连接器具体为高速光耦或容隔电路。

优选地，所述低速隔离连接器连接于所述计量芯片与所述计量MCU的若干个能量脉冲接口之间和/或若干个通信接口之间，且所述高速隔离连接器连接于所述计量芯片与所述计量MCU的若干个通信接口之间和/或若干个波形数据接口之间。

优选地，还包括可拆卸地设置于壳体内并与所述计量MCU信号连接、用于对其内部的RTC模块进行供电的电池组。

优选地，还包括与所述计量芯片信号连接、用于对所述壳体上的各个接线端子进行实时测温的测温模块。

优选地，所述测温模块包括嵌设于各所述接线端子内的热敏电阻，以及与各所述热敏电阻信号连接、用于对其阻值变化进行采样并与所述计量芯片信号连接的ADC芯片。

本实用新型还提供一种单相智能电表，包括壳体和设置于所述壳体内的计量模组，其中，所述计量模组具体为上述任一项所述的计量模组。

本实用新型所提供的计量模组，主要包括计量芯片、计量MCU、管理MCU和隔离电路。其中，计量芯片为计量模组的核心元器件，并与市电网络(即强电)保持连通，主要用于计量相关电能参数。计量MCU与计量芯片信号连接，主要用于与计量芯片通信，以控制计量芯片的运行状态，以及实现计量模组的其余功能。管理MCU与计量MCU信号连接，并保持数据互通，可通过管理MCU对计量MCU下达控制指令，或者通过计量MCU对管理MCU反馈相关数据，即管理MCU是计量模组与管理模组间的通信桥梁。隔离电路连接在计量芯片的信号接口与计量MCU的信号接口之间，主要用于在两者之间形成电气隔离，从而在智能电表的壳体内将计量芯片所处的强电区域与计量MCU、管理MCU等其余元器件所处的弱电区域间隔开。如此，通过计量芯片的作用即可实现智能电表的电能参数计量功能，同时通过计量MCU与管理MCU间的通信连接即可实现参数收发、状态控制等其余功能，并且利用隔离电路在计量芯片与计量MCU之间形成电气隔离。相比于现有技术，本实用新型将单芯片Soc拆分为执行不同功能的计量芯片与计量MCU，如此只需对计量芯片与计量MCU之间执行电气隔离，即可使计量MCU与管理MCU之间保持正常信号连接和通信，无需在计量MCU与管理MCU之间再设置隔离电路，从而避免对计量MCU与管理MCU之间的通信造成影响，因此能够在对计量模组的强电部分实现电气隔离的基础上，简化计量模组与管理模组间的连接结构，保证计量模组与管理模组间的通信稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

图2为图1中所示的隔离电路的一种具体结构示意图。

图3为图1中所示的隔离电路的另一种具体结构示意图。

图4为图1中所示的测温模块的具体结构示意图。

其中，图1—图4中：

计量芯片—1，计量MCU—2，管理MCU—3，隔离电路—4，电池组—5，测温模块—6；

低速隔离连接器—41，高速隔离连接器—42，热敏电阻—61，ADC芯片—62。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，图1为本实用新型所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本实用新型所提供的一种具体实施方式中，计量模组主要包括计量芯片1、计量MCU2、管理MCU3和隔离电路4。

其中，计量芯片1为计量模组的核心元器件，并与市电网络(即强电)保持连通，主要用于计量相关电能参数。具体的，该计量芯片1可用于对电流、电压信号进行采样，实现全波、谐波与基波的能量计量，并以脉冲形式输出能量数据，进行有效值的测量和谐波计算，主动输出电流、电压采样波形数据给其他主控芯片或缓存一段采样波形数据供计量MCU2读取，完成误差自检测功能及其他电能参数的计算。

计量MCU2与计量芯片1信号连接，主要用于与计量芯片1通信，以控制计量芯片1的运行状态，以及实现计量模组的其余功能。具体的，该计量MCU2主要用于通过脉冲的形式获取计量芯片1的能量数据并更具标准要求存贮到相关存贮单元，通过和计量芯片1之间的通信接口读取其他测量参数，提供RTC时钟作为整个电能表的基础时钟，以及掉电事件、开盖检测等事件的判断和存贮等。

管理MCU3与计量MCU2信号连接，并保持数据互通，可通过管理MCU3对计量MCU2下达控制指令，或者通过计量MCU2对管理MCU3反馈相关数据，即管理MCU3是计量模组与管理模组间的通信桥梁。

隔离电路4连接在计量芯片1的信号接口与计量MCU2的信号接口之间，主要用于在两者之间形成电气隔离，从而在智能电表的壳体内将计量芯片1所处的强电区域与计量MCU2、管理MCU3等其余元器件所处的弱电区域间隔开。

如此，通过计量芯片1的作用即可实现智能电表的电能参数计量功能，同时通过计量MCU2与管理MCU3间的通信连接即可实现参数收发、状态控制等其余功能，并且利用隔离电路4在计量芯片1与计量MCU2之间形成电气隔离。

相比于现有技术，本实施例将单芯片Soc拆分为执行不同功能的计量芯片1与计量MCU2，如此只需对计量芯片1与计量MCU2之间执行电气隔离，即可使计量MCU2与管理MCU3之间保持正常信号连接和通信，无需在计量MCU2与管理MCU3之间再设置隔离电路4，从而避免对计量MCU2与管理MCU3之间的通信造成影响，因此能够在对计量模组的强电部分实现电气隔离的基础上，简化计量模组与管理模组间的连接结构，保证计量模组与管理模组间的通信稳定。

在关于隔离电路4的一种优选实施例中，该隔离电路4主要包括低速隔离连接器41和高速隔离连接器42。其中，低速隔离连接器41主要用于适配计量芯片1与计量MCU2上的低速信号接口，而高速隔离连接器42主要用于适配计量芯片1与计量MCU2上的高速信号接口。具体的，低速隔离连接器41可采用低速光耦，而高速隔离连接器42可采用高速光耦或容隔电路。一般的，低速隔离连接器41与高速隔离连接器42的区别在于，对于通讯速率的要求是否大于1Mbps，低于该值的信号接口可适配低速隔离连接器41，反之则适配高速隔离连接器42。

进一步的，低速隔离连接器41主要连接在计量芯片1与计量MCU2上的若干个能量脉冲接口之间，或者若干个通信接口之间。而高速隔离连接器42主要连接在计量芯片1与计量MCU2上的若干个波形数据接口之间，或者若干个通信接口之间。

如图2所示，图2为图1中所示的隔离电路4的一种具体结构示意图。

具体的，在计量芯片1上设置有能量脉冲输出口CF1、CF2、CF3等，通信接口RX、TX等，波形数据输出口SPICS、SPICLK、SPIMOSI等。

其中，能量脉冲输出口主要用于对计量MCU2输出全波有功能量脉冲、总谐波能量脉冲、正反向谐波总电量脉冲等，可使计量MCU2通过读取当前总谐波功率的方向来确定当前脉冲代表的总谐波能量的方向，并通过计量MCU2分别计量谐波能量并输出到LED外设。通信接口主要用于收发Uart数据，主控MCU和计量芯片1主要以Uart接口通信，以使计量MCU2控制计量芯片1的运行并读取相关测量数据。当然，在设计实现时，通信接口还可根据计量芯片1实际提供的接口来设计，比如SPI接口或者IIC接口都可以采用。波形数据输出口主要用于输出波形数据，一般为SPI接口(也可以为Uart接口、IIC接口)，以使计量MCU2通过Uart通信接口配置好计量芯片1的采样波形输出模式，并使计量芯片1通过SPI接口主动输出相关波形采样数据。

同时，在本实施例中，电压、电流的采用波形数据通过专用的SPI通道输出。此时，计量MCU2的SPI工作在从机模式，波形数据由计量芯片1主动通过SPI输出，计量MCU2通过Uart通讯口发命令给计量芯片1开启或者关闭波形数据发送。

如图3所示，图3为图1中所示的隔离电路4的另一种具体结构示意图。

在本实施例中，在计量芯片1上设置有能量脉冲输出口CF1、CF2、CF3等，通信接SPIMISO、SPICLK、SPIMOSI等。相比于前述实施例，省去了电压、电流采样的波形数据输出口，计量MCU2通过与计量芯片1的通信接口主动读取每一次的采样数据或存贮在计量芯片1中的某一个时间段(通常是一个周波)的波形数据，然后发送给功能扩展模块。

在本实施例中，计量MCU2通过SPI主动读取波形数据，此时，计量MCU2的SPI工作在主机模式。具体的，计量MCU2通过定时装置定时开启SPI，读取采用波形数据，比如需要读取一个周波128个采样点数据，定时器必须设置为20ms/128。

另外，在壳体内还设置有电池组5，该电池组5主要用于对计量模组的RTC模块进行供电，在本实施例中，为方便电池组5的拆卸和热拔插，该电池组5可拆卸地安装在壳体内，比如可通过卡接结构实现等。同时，该电池组5直接与计量MCU2信号连接，处于计量芯片1的电气隔离层之外，因此可在维护人员拆换电池组5时，防止维护人员接触到计量模组中的强电区域。

不仅如此，考虑到在智能电表的壳体上，一般设置有若干个接线端子，该接线端子是电线进出电能表的接口，如出现老化或接触不良等现象，在遇到大电流时容易出现发热损坏甚至引起火灾，针对此，本实施例中增设了测温模块6，以对各个接线端子进行实时测温，以便及时发现接线端子的温度异常并报警，避免产生重大损失。

如图4所示，图4为图1中所示的测温模块6的具体结构示意图。

具体的，该测温模块6主要包括热敏电阻61和ADC芯片62。其中，热敏电阻61埋设在各个接线端子内，可在接线端子的温度出现变化时产生较敏感的阻值变化，从而利用该原理感应接线端子的温度变化。ADC芯片62集成在计量芯片1中，并设置有多个采样端口(AN0～AN3)，每个采样端口均与各自对应的热敏电阻61连接，以通过采样热敏电阻61的电流或电压值判断其阻值变化。一般的，各个采样端口可与各个热敏电阻61串联，并在两者之间增设分压电阻，为ADC芯片62提供合适的采样电压。同时，为提高提高测量精度，可在热敏电阻61的一端引入参考电压Vref，从而可使ADC芯片62通过算法公式V＝Vref×R/(Rnt+R)对各个热敏电阻61的电压进行计算和监控。

本实施例还提供一种单相智能电表，主要包括壳体和设置于壳体内的计量模组，其中，该计量模组的具体内容与上述相关内容相同，此处不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种计量模组，其特征在于，包括与市电连通并用于计量电能参数的计量芯片(1)、与所述计量芯片(1)信号连接并用于控制其运行状态的计量MCU(2)、与所述计量MCU(2)信号连接并进行数据互通的管理MCU(3)，以及连接于所述计量芯片(1)的信号接口与所述计量MCU(2)的信号接口之间、用于在两者间形成电气隔离的隔离电路(4)。

2.根据权利要求1所述的计量模组，其特征在于，所述隔离电路(4)包括连接于所述计量芯片(1)的低速信号接口与所述计量MCU(2)的低速信号接口之间的低速隔离连接器(41)，以及连接于所述计量芯片(1)的高速信号接口与所述计量MCU(2)的高速信号接口之间的高速隔离连接器(42)。

3.根据权利要求2所述的计量模组，其特征在于，所述低速隔离连接器(41)具体为低速光耦，所述高速隔离连接器(42)具体为高速光耦或容隔电路。

4.根据权利要求2所述的计量模组，其特征在于，所述低速隔离连接器(41)连接于所述计量芯片(1)与所述计量MCU(2)的若干个能量脉冲接口之间和/或若干个通信接口之间，且所述高速隔离连接器(42)连接于所述计量芯片(1)与所述计量MCU(2)的若干个通信接口之间和/或若干个波形数据接口之间。

5.根据权利要求1所述的计量模组，其特征在于，还包括可拆卸地设置于壳体内并与所述计量MCU(2)信号连接、用于对其内部的RTC模块进行供电的电池组(5)。

6.根据权利要求1所述的计量模组，其特征在于，还包括与所述计量芯片(1)信号连接、用于对壳体上的各个接线端子进行实时测温的测温模块(6)。

7.根据权利要求6所述的计量模组，其特征在于，所述测温模块(6)包括嵌设于各所述接线端子内的热敏电阻(61)，以及与各所述热敏电阻信号连接、用于对其阻值变化进行采样并与所述计量芯片(1)信号连接的ADC芯片(62)。

8.一种单相智能电表，包括壳体和设置于所述壳体内的计量模组，其特征在于，所述计量模组具体为权利要求1-7任一项所述的计量模组。

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