TW200521442A - A universal power measurement soc and measuring method - Google Patents

Description

200521442 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種可程式選定執行功能的電力量測晶 片，特別是指一種可由外部裝置預先内建功能的泛用型電 力量測晶片架構。 二、 【先前技術】 查電力量測電路經常應用在各種量測儀器，及工業控 制設備中，將類比型態之電力訊號（如電壓、電流…等） ，轉換成數位型慫之電力訊號，以便於進一步的處理。 一般習知的電力量測裝置，如電壓表、電流表…等之 架構，如第一圖所示，包括一訊號偵測元件1，一類比訊 號調節電路2，一類比對數位轉換器3，一微控器4，一電 源供應器5，一記憶體6，一通訊界面電路7，一液晶顯示 界面電路8。 訊號偵測元件1可將外界的物理（類比）訊號轉換成 電壓訊號，經由類比訊號調節電路2將此電壓訊號調節至 適當範圍内，然後類比對數位轉換器3再對此調節後的類 比訊號轉換成數位訊號，微控器4則依據内建的程式進行 運算，處理後的電力資料可儲存於記憶體6，也可透過液 晶顯示界面電路8顯示於外部的液晶螢幕，或藉由通訊界 面電路7傳遞至外部的儲存裝置。而電源供應器5，若是手 持式電表以則電池作為電源，固定式電表則以線性或交換

200521442 五、發明說明（2) 式電源供應器來提供各電路所需電源 上述 號Y貞測元 及微控器 計。若要 式都必須 整合的電 偵測元件 時置入於 量測程式 處理程序 置的體積 相互干擾 計者與製 難以及時 所習之知的電路架構，曰 件1、類比1 _ Μ ρ φ 疋運用於電壓表，則訊 孔唬凋即電路2、類比對數位轉換巧： 4中運异程式，都必須 得換為3 、富珀你甘 貝配口電壓ϊ測的特性而設 運用於其他的電力量測 另外执呌& <成 則上述的電路和運算程 =计，缺乏應用彈性。一旦要運用於多功能 力里測裝置，則必須將各種量測功能所需的訊號 y類/比訊號調節電路2、類比對數位轉換器3同 單一系統中，且微控器4若要能夠計算各種電力 ’還需要一個能夠適當安排各種電力量測程式的 ，以避免運算衝突發生。如此一來，會使量測裝 加大不少，且因硬體複雜度變大，增加各功能間 的機會。因此，上述習知的電路架構往往造成設 造者莫大困擾，必須依據市場需求而量身訂做， 反應需求。 三、【發明内容】 上述習知技術顯然在使用及製造上有不便之處。本發 明的目的之一，提供一種可彈性選取執行功能的系統架構 _ ，作為電力量測寰置的核心。使用者只要以此晶片架構作 為電力量測裝置的系統核心，即可由外部裝置依據電力參 數、數值、旗標之輸出/輸入設定表，選取所需的量測功 能；或藉電力運算功能的設定流程，輸入新功能到晶片中

第8頁 200521442 五、發明說明（3) ;亦可由通訊界面進行資料傳輸，重新設定内建的參數。 本發明的目的之另一，提供一種可程式選定執行功能 的電力量測晶片，整合所有組成元件在一單晶片以減少體 積。在符合例如 IEC 6 0 6 8 7、IEC 6 0 2 5 6 及 ANSI C12· 20的 需求下，具有減少零件使用數，提高系統穩定度，減少精 確度調校程序，提升精確度，簡化生產程序，降低成本， 提高應用彈性，及減少系統功能提升之生產調整期等優點 一種可程式選定執行功能的泛用型電力量測晶片，包 含類比增益調整電路、類比轉換電路、記憶體與處理器。 其中類比增益調整電路可接收感測輸入訊號，調整以產生 具適當振幅或極性的一調整訊號以及一增益狀態訊號。類 比轉換電路用以將調整訊號轉換為一數位訊號。記憶體用 以儲存預先設定之若干電力參數項目。處理器，根據使用 者所選定之量測項目，針對預設電力參數項目之一，並配 合增益狀態訊號，以處理轉換之數位訊號，藉此得到一電 力量測輸出訊號。 四、【實施方式】 參閱第二圖所示為根據本發明之一實施例、說明一泛 用型電力量測晶片的架構示意圖。，一泛用型電力量測晶 片9，主要包含一類比訊號調節電路10(analog signal

200521442 五、發明說明（4) c ο n d i t i ο η )、一類比對數位轉換電路1 1、一微控器電路1 2 (MCU)、與一記憶體電路15(memory)。藉由本發明之泛用 型電力量測晶片9，再配合外部之訊號偵測元件、電源供 應器、設定鍵、液晶顯示器、及通訊周邊電路，即可建構 一可程式選定執行功能的泛用型電力量測裝置。 « 可以選擇地，泛用型電力量測晶片9更包含一電源及 電壓參考源電路 13(power and voltage reference)、 一 時序電路14(timing unit)、一溫度感測電路16( temperature sensor)、 一通訊界面電路 17( communication interface unit)、一液晶顯示驅動界面 電路 18(LCD driver)與一電源監視電路 19(power monitor unit)。電源及電壓參考源電路1 3，接收一外部電源，負 責將之穩壓後，提供泛用型電力量測晶片9運作所需的穩 定電源，並提供類比訊號調節電路1 0及類比對數位轉換電 路1 1所需的比較基準電壓源。於一實施例中，電源及電壓 參考源電路1 3包含一電源穩壓電路及一電壓參考源輸出/ 輸入電路。其次，時序電路1 4，提供泛用型電力量測晶片 9中各部份運作所需的時序，包含一及時時鐘電路、一看 門狗電路、及一時序產生電路。 再者，溫度感測電路1 6，配合記憶體電路1 5設定的一 補償溫度點，傳送至微控器電路1 2以作為其演算電力參數 進行補償的依據。再者，溫度感測電路1 6提供及時溫度數

第10頁 200521442 五、發明說明（5) 值，傳送至記憶體電路1 5儲存以等待需要時輸出。此外， 通訊界面電路1 7，負責將泛用型電力量測晶片9中所提供 之界面資料傳輸至外部裝置，其包含一般用途輸出/輸入 界面電路、一脈衝與旗標輸出/輸入界面電路、一同步串 列通訊界面電路、一非同步串列通訊界面電路、及一並列 通訊界面電路。 再者，電源監視電路1 9，可監視電源的供應狀態，將 資料交由微控器電路1 2判斷，若發現電力供應發生異常， 則暫時停止量測，先將之前的量測資料寫入記憶體電路15 ，可永久儲存，以避免停電後資料流失。其次，一液晶顯 示驅動電路1 8，受微控器電路1 2控制，依據預先選定的資 料顯示項目，可將各種電力資料顯示於液晶螢幕上。 本發明之一較佳實施例中，類比訊號調節電路1 0，負 責擷取一類比訊號、將此類比訊號調製成具有適當極性及 振幅的調節後的電壓/電流訊號、以及輸出調節後的電壓/ 電流訊號與一增益控制訊號。於一實施例中，類比訊號為 外部訊號偵測元件所接收或產生的電壓、電流、壓力等物 理訊號。再者，類比訊號調節電路1 0包含一固定增益及自 動調整增益的類比訊號調節電路，可產生一組增益控制訊 號，並藉由此增益控制訊號放大/衰減的增益，自動調整 輸入訊號的放大或衰減，使此類比訊號成為一具有適當極 性及振幅的電壓/電流訊號。

200521442 五、發明說明（6) 類比訊號調節電路1 〇的較佳實施例之一可以參照使用 本案同一申請人的中華民國專利，題目為「具有擴充增益 使用範圍的類比訊號增益自動調整電路」，申請號 0 9 1 2 2 1 1 2 8 ;中華民國新型專利號1 8 8 2 0 2，題目為「類比 訊號之自動增益調整電路」；美國專利號6 5 7 7 1 9 1，題目 為 r Automatic gain control circuit for analog signals」；以及大陸新型專利號ZLO 1 2 6 1 0 6 2-3，題目為 「模擬信號的自動增益調整控制電路」。 其次’類比對數位轉換電路1 1，連接類比訊號調節電 路1 0，接收調整後的電壓/電流訊號，並負責將調整後的 電壓/電流訊號進行取樣、保持以轉換成數位訊號後、輸 出電壓/電流數位訊號。再者，微控器電路丨2，用以執行 運算、判斷、顯示控制、通訊傳輸控制等功能，以及接收 類比訊號調節電路1 〇輸出的增益狀態訊號與類比對數位轉 換電路11輸出的數位訊號。之後，讀取記憶體電路1 5中儲 存之預先選定的電力參數運算功能項與輸入的補償溫度數 值，將其與數位訊號及增益狀態訊號運算處理，以確保計 算結果與外部訊號幅度相符，並獲得正確電力資料。 本發明之一較佳實施例的記憶體電路1 5，參閱第三圖 ，依資料屬性規劃，並規劃所需儲存位址及儲存長度，其 包含一資料輸出記憶體20、一資料輸入設定記憶^ ^卜二

200521442 五、發明說明（7) 程式儲存記憶體2 2、及一使用者自定記憶體2 3。與此較佳 實施例中’資料輸出記憶體2 〇作為一暫時儲存區，提供輸 出若干選項’例如電力參數值、電力諧波品質、量測溫度 、電力狀悲。> 料輸入设疋3己憶體2 1作為一永久儲存區， 提供輸入選項包括Wh-to-Pulse、Creep、Sag、Swell及 Power Outage Time的臨界值設定；Phase Correction

Angle、 Wh-to-Pulse、 Gain、及 Sampling Rate 的轉換比 值；HPF、 Channel、 BlankROM、及 BlankRAM的開啟/ 關閉 ;CT的狀態及補償溫度點設定。 Φ 其次，程式儲存記憶體2 2，作為一程式儲存區，儲存 電力參數運算程式及選項、通訊協定程式及選項，液晶螢 幕顯示程式及選項。於此較佳實施例中，内建參數運算程 式群及下列選項：通訊協定與資料傳輸、及時計算的電力 參數（Vrms、Irms、Vpeak、Ipeak、W、S、Var、PF、

Line Freq·)、校正誤差的電力參數（Gain、DC Offset 、P h a s e C o r r e c t i ο n、F F T、量測溫度）、電力狀態判斷 (Gain、 Power Outage、 Creep、 Sag、 Swell、 Balance )、LCD顯示參數（電力參數值、電力諧波品質、溫度、 電力狀態）。再者，使用者自定記憶體2 3為一空白記憶體 ，可儲存程式及資料，使用者可於此自行輸入欲儲存之資 料或程式。 本創作之其他目的及其結構設計，可由以下實施例說

第13頁 200521442 五、發明說明（8) 明。參閱第四圖所示，其係顯示晶片功能選取設定與執行 流程。晶片啟動之後即處於MCU啟動狀態（步驟30 )，準備 接收外部裝置的輸入，並通知外部裝置已完成接收準備° 當外部裝置收到通知後，就傳送一段啟始協定，而輸入的 屬性即包含於啟始協定中。晶片依據此段協定判斷此輸入 的屬性（步驟3 1 )，然後開始接收。 其次，判斷此輸入的屬性是否為資料（步驟3 2 )，若此 輸入為電力參數運算執行選項代碼、狀態旗標、補償設定 值、判斷極限值、傳輸選項或顯示選項，將會存入資料輸 入設定記憶體2 1 (步驟3 3 )，除非被重新設定，否則資料將 不會更新。若為新增功能程式，將會存入程式儲存記憶體 2 2 (步驟3 4 )，除非被重新設定，否則程式將不會更新。同 時也會傳送一新功能代碼到^料輸入設定記憶體2 1 ’等待 微控器電路1 2讀取（步騍3 5 )。一旦外部裝置傳送完畢（步 驟3 6 )，也會傳送一段、结束協疋’通知晶片已完成傳送’ 然後晶片將重新啟動（梦··驟3 7)。 一旦晶片重新啟動，微控器電路1 2將會跟著啟動，而 微控器電路1 2也立即啟動類比對數位轉換電路1 1 (步驟3 8 ) # ，對數位轉換電路1 1負責執行類比數位轉換（步驟4 〇 )，並 將同時由資料輸入設定記憶體2 1讀取電力參數運算執行選 項代碼、狀態旗標、補償設定值、判斷極限值、傳輸選項 或顯示選項等資料（步驟3 9 )，並等待讀取類比對數位轉換

200521442 五、發明說明（9) ~~ ~~~~ - 值、增益狀態旗標等資料。類比對數位轉換電路u一旦完 成轉換後，會立即將轉換值寫入資料輸入設定記憶體”預 疋位置（步驟4 2 )，等待微控器電路1 2讀取，微控器電路丨2 將依據電力參數運异執行程式進行運算或判斷（步驟4 1)後 ’將執行結果暫存於資料記憶體中（步驟4 3)。運算初步結 果將依據狀悲旗標、判斷極限值、補償設定值等進行調整 ，然後控器電路1 2將最後結果依據傳輸選項、顯示選項， 分別驅動通訊界面1 7或液晶顯示驅動界面1 8，傳送到外部 儲存裝置（步驟4 4 )或顯示於液晶螢幕上（步驟4 5 )。依此程 序，晶片將不斷循環執行，直到重新設定功能為止。

讀I 第一表則為本發明之一實施例中、有關電力參數、數 值、旗標之輸出/輸入設定表。配合第一表與以上說明可 知，藉由本創作之一種可程式選定執行功能的泛用型電力 量測晶片架構，可大幅減化電力虽/則裝置初體及硬體的設 計，建構一可彈性選擇，可快速反應需求及成本低廉的電 力量測ί置，深具虞業上的利用價值。 以上已說明本創作之最佳賞她例。凡精於此項技藝 者，當可依據上述之說明做其他種種改良，惟這些改變仍如 屬於本創作之創作精神，及以下所界定之專利範圍中。

200521442 五、發明說明（ίο) 電力參數、數值、旗標之輸出/輸入設定表 1 Dcscrinlions I Name | Registers Descriptions | Name Data Outnut Λτ Disnlav Items Output & ：Display Items of Status or Flag 1 Phnxe A Voltage VA 81 Phase A & B Current Gain Status GSiab 2 Phase B W)lt；mc VR 82 Phase C & D Current Gain Status gs『d 3 Phase C Voltage Vr 83 Sag Status Output Sag 4 Phase A RMS Voltage V rm^A 84 Swell Status Output Sweli 5 Phase B RMS Voltage VnmB 85 Creep Status Output CSF 6 Phase C RMS Voltage VrrmC 86 Reverse Power Status Output RPF 7 Phase A Peak Voltage VPA "87 Kwh Pulse Output FI 8 Phase B Peak Voltage VpB 88-100 Reserved 9 Phase C Peak Voltage Vre 10 Phase A Current Ia 11 Phase B Current Ib Input Offset Data Items 12 Phase C Current Ir 101 Phase A Voltage DC Offset V〇rFA 13 Phase A RMS Current InniA 102 Phase B Voltage DC Offset V〇FFB 14 Phase B RMS Current ifimB 103 Phase C Voltage DC Offset V〇FFC 15 Phase C RMS Current IrmsC 104 Phase A Current DC Offset I〇fTA 16 Phase A Peak Current IpA 105 Phase B Current DC Offset I〇rFB 17 Phase B Peak Current IpB 106 Phase C Current DC Offset I〇FFC 18 Phase C Peak Current Ipe 107 Phase A Current Gain Offset GC〇ffa 19 Phase D Peak Current IpD 108 Phase B Current Gain Offset GC〇ffb 20 Phase A Active Power WA 109 Phase C Current Gnin Offset GC〇pfc 21 Phase B Active Power Wb no Phase D Current Gain Offset GC〇ffd 22 Phase C Active Power We 111 Phase A phase Correction Angle θ〇ΡΓΛ 23 Total Active Power w 112 Phase B phase Correction Angle θ〇ΓΤΒ 24 Phase Λ Rcaclive Power VarA 113 Phase C phase Correction Angle θ〇ΓΓΟ 25 PIkisc B Reactive Power VarB 114-130 Reserved 26 Phase C Reactive Power Varr 27 Tot;il Renclivc Power Var 28 Phase A Apparent Power SA 29 Phase B Apparent Power S〇 Input Setting Data Items 30 Phase C Apparent Power Sc 131 Phase A phase Delay esA 31 Total Apparent Power s 132 Phase B phase Delay esB 31 Phase A Power Factor pfa 133 Phase C phase Delay esc 33 Pliase B Power Faclor PFb h 134 Phase A & B Current Gain GQab 34 Phase C Power Factor PFe 135 Phase C & D Current Gain GCicd 35 Total Power Faclor PF 136 Kwh to Pulse Output Threshold EPTS 36 Phase A Kwh KwhA 137 Kwh to Pulse Output Ratio EPRS 37 Thasc B Kwh KwhB 138 Sag Threshold SSAc 38 Phase C Kwh Kwhr 139 Swell Threshold SSWC|| 39 Total Kwh Kwh 140 Creep Protection Threshold CPTS 40 Phase A Voltage Frequency Fva 141 ADC Sampling Rate Fass 41 Phase B Voltage Frequency Fvd 142 Enable Channels On/Off CSE 42 Phase C Voltage Frequency Fvc 143 Enable Power Monitor PMSE 43 Phase A Current Frequency F,a 144 Enable Hiph Pass Filter On/Off HPFE 44 Phase B Current Frequency Fm 145 CT Ratio CTR 45 Phase C Curreni Frequency F,r 146 Enable Harmonic On/Off HarE 46 Phase Λ Harmonic HarA 147 uP Execution Functions Upfs 47 Phase B Harmonic Har0 148 LCD Display Items LCDFS 48 Phase C Harmonic Harc 149 Enable Reserved ROM & RAM MEMOE 49 Ground Fault Current Igf 150 Correction Temperature A & B TMP〇ffab 50 Sag Event Time TsaG 151 Correction Temperature A & B TMP〇ffcd 51 Swell Event Time TswELI. 152 Power Outage Time Tout 52 Power Outage Event Time Tpolt 153 Enable SPI Output the Content of Registers SPICtr 53 Temperature TMP 154-170 Reserved 54-80 Reserved 第一表例 Ιϋϋΐΐ 第16頁 200521442 圖式簡單說明 第一圖係為習知電壓表、電流表…基本架構示意圖； 第二圖係為一種可程式選定執行功能的泛用型電力量 測晶片架構不意圖， 第三圖進一步顯示第二圖中其記憶體配置架構示意圖 第四圖係為本創作之晶片功能選取設定與執行流程圖 ❿ 圖示元件符號說明 1訊號偵測元件； 2類比訊號調節電路； 3類比對數位轉換器； 4微控器； 5電源供應器； 6記憶體； 7通訊界面電路； Φ 8液晶顯不界面電路 9本創作之晶片； 1 0類比訊號調節電路； 11類比對數位轉換電路； 1 2微控器電路；

第17頁 200521442 圖式簡單說明 1 3電源及電壓參考源電路； 1 4時序電路； 1 5記憶體電路； 1 6溫度感測電路； 1 7通訊界面電路； 1 8液晶顯示驅動電路； 1 9電源監視電路； 2 0資料輸出記憶體； 21資料輸入設定記憶體； 2 2程式儲存記憶體； 2 3使用者自定記憶體。

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Claims (1)

1. 200521442 六、申請專利範圍 1 · 一種可程式選定執行功能的泛用型電力量測晶片，包 含： 一類比增益調整電路，接收一感測輸入訊號，調整以 產生具適當振幅或極性的一調整訊號，以及一增益狀態訊 號； 一類比轉換電路，用以將該調整訊號轉換為一數位訊 號； 一記憶體，用以儲存預先設定之多數個電力參數項 目；及 一微控器，根據使用者所選定之量測項目，針對該預 設電力參數項目之一，並配合該增益狀態訊號，以處理該 轉換之數位訊號，藉此得到一電力量測輸出訊號。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，更包含一電源及電壓參考源電路，接 收一外部電源，提供該類比增益調整電路及該類比轉換電 路所需的一比較基準電壓源。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，更包含一時序電路，提供至少一時序 給可程式選定執行功能的泛用型電力量測晶片。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，更包含一溫度感測電路，配合該記憶

   第19頁 200521442 六、申請專利範圍 體設定的一補償溫度點，傳送至該微控器以作為演算電力 參數進行補償的依據。 5. 如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，更包含一界面電路，將該電力量測輸 出訊號傳輸至一外部裝置。 6. 如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，更包含一顯示電路，將該電力量測輸 出訊號的電力資料顯示於一顯示幕上。 7. 如申請專利範圍第1項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，其中該記憶體包含一資料輸出區、一 資料輸入設定區、一程式儲存區、及一使用者自定區。 8. 如申請專利範圍第7項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，其中該資料輸出區儲存該量測項目。 9. 如申請專利範圍第7項所述之可程式選定執行功能的泛 用型電力量測晶片，其中該程式儲存區儲存複數個電力參 數運算程式及該多數個電力參數項目。 1 0. —種可程式選定執行功能的泛用型電力量測方法，包 含：

   第20頁 200521442 六、申請專利範圍 提供一記憶體，以儲存預先設定之多數個電力參數項 g ; 接收一感測輸入訊號； 調整該感測輸入訊號以產生具適當振幅或極性的一調 整訊號，以及一增益狀態訊號； 轉換該調整訊號成為一數位訊號；及 根據使用者所選定之量測項目，針對該預設電力參數 項目之一，並配合該增益狀態訊號，以處理該轉換之數位 訊號，藉此得到一電力量測輸出訊號。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之可程式選定執行功能的 泛用型電力量測方法，更包含顯示該電力量測輸出訊號的 資料於一顯示幕上。 1 2.如申請專利範圍第1 0項所述之可程式選定執行功能的 泛用型電力量測方法，更包含接收一使用者輸入的外部量 測項目。

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