專利名稱：泛用型電力量測芯片與其量測方法
技術領域：
本發明是關于一種可程序選定執行功能的電力量測芯片，特別是指一種可由外部裝置預先內建功能的泛用型電力量測芯片架構。
背景技術：
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，將模擬型態的電力信號(如電壓、電流…等)，轉換成數字型態的電力信號，以便于進一步之處理。
一般傳統的電力量測裝置，如電壓表、電流表…等的架構，如圖1所示，包括一信號檢測元件1，一模擬信號調節電路2，一模擬/數字轉換器3，一微控器4，一電源供應器5，一存儲器6，一通訊界面電路7，一液晶顯示界面電路8。
信號檢測元件1可將外界的物理(模擬)信號轉換成電壓信號，經由模擬信號調節電路2將此電壓信號調節至適當范圍內，然后模擬/數字轉換器3再對此調節后的模擬信號轉換成數字信號，微控器4則依據內建的程序進行運算，處理后的電力數據可儲存于存儲器6，也可透過液晶顯示界面電路8顯示于外部的液晶屏幕，或通過通訊界面電路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式電源供應器來提供各電路所需電源。
上述所已知的電路架構，若是運用于電壓表，則信號檢測元件1、模擬信號調節電路2、模擬/數字轉換器3及微控器4中運算程序，都必須配合電壓量測的特性而設計。若要運用于其它的電力量測，則上述的電路和運算程序都必須另外設計，缺乏應用彈性。一旦要運用于多功能整合的電力量測裝置，則必須將各種量測功能所需的信號檢測元件1、模擬信號調節電路2、模擬/數字轉換器3同時置入于單一系統中，且微控器4若要能夠計算各種電力量測程序，還需要一個能夠適當安排各種電力量測程序之處理程序，以避免運算沖突發生。如此一來，會使量測裝置的體積加大不少，且因硬件復雜度變大，增加各功能間相互干擾的機會。因此，上述已知的電路架構往往造成設計者與制造者莫大的困擾，必須依據市場需求而量身訂做，難以及時反應需求。
發明內容
上述已知技術顯然在使用及制造上有不便之處。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，作為電力量測裝置的核心。使用者只要以此芯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、旗標的輸出/輸入設定表，選取所需的量測功能；或通過電力運算功能的設定流程，輸入新功能到芯片中；亦可由通訊界面進行數據傳輸，重新設定內建的參數。
本發明的目的之一，是提供一種可程序選定執行功能的電力量測芯片，整合所有組成元件在一單芯片以減少體積。在符合例如IEC60687、IEC 60256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的生產調整期等優點。
一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，包含模擬增益調整電路、模擬轉換電路、存儲器與處理器。其中模擬增益調整電路可接收感測輸入信號，調整以產生具適當振幅或極性的一調整信號以及一增益狀態信號。模擬轉換電路用以將調整信號轉換為一數字信號。存儲器用以儲存預先設定的若干電力參數項目。處理器，根據使用者所選定的量測項目，針對預設電力參數項目之一，并配合增益狀態信號，以處理轉換的數字信號，藉此得到一電力量測輸出信號。
圖1為已知電壓表、電流表…基本架構示意圖；圖2為本發明一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片架構示意圖；圖3進一步顯示圖2中其存儲器配置架構示意圖；圖4為的芯片功能選取設定與執行流程圖。
圖5為表例說明，第一表為本發明的電力參數、數值、旗標的輸出/輸入設定表。
圖中符號說明1信號檢測元件；2模擬信號調節電路；3模擬/數字轉換器；4微控器；5電源供應器；6存儲器；7通訊界面電路；8液晶顯示界面電路9本發明的芯片；10模擬信號調節電路；11模擬/數字轉換電路；12微控器電路；13電源及電壓參考源電路；14時序電路；15存儲器電路；16溫度感測電路；17通訊界面電路；18液晶顯示驅動電路；
19電源監視電路；20數據輸出存儲器；21數據輸入設定存儲器；22程序儲存存儲器；23使用者自定存儲器。
具體實施例方式
參閱圖2所示為根據本發明之一實施例，說明一泛用型電力量測芯片的架構示意圖。一泛用型電力量測芯片9，主要包含一模擬信號調節電路10(analog signal condition)、一模擬/數字轉換電路11、一微控器電路12(MCU)、與一存儲器電路15(memory)。通過本發明的泛用型電力量測芯片9，再配合外部的信號檢測元件、電源供應器、設定鍵、液晶顯示器、及通訊周邊電路，即可建構一可程序選定執行功能的泛用型電力量測裝置。
可以選擇地，泛用型電力量測芯片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(LCDdriver)與一電源監視電路19(power monitor unit)。電源及電壓參考源電路13，接收一外部電源，負責將穩壓后，提供泛用型電力量測芯片9運作所需的穩定電源，并提供模擬信號調節電路10及模擬/數字轉換電路11所需的比較基準電壓源。于一實施例中，電源及電壓參考源電路13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14，提供泛用型電力量測芯片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16，配合存儲器電路15設定的一補償溫度點，傳送至微控器電路12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16提供及時溫度數值，傳送至存儲器電路15儲存以等待需要時輸出。此外，通訊界面電路17，負責將泛用型電力量測芯片9中所提供的界面數據傳輸至外部裝置，其包含一般用途輸出/輸入界面電路、一脈沖與旗標輸出/輸入界面電路、一同步串行通訊界面電路、一異步串行通訊界面電路、及一并列通訊界面電路。
再者，電源監視電路19，可監視電源的供應狀態，將數據交由微控器電路12判斷，若發現電力供應發生異常，則暫時停止量測，先將的前的量測數據寫入存儲器電路15，可永久儲存，以避免停電后數據流失。其次，一液晶顯示驅動電路18，受微控器電路12控制，依據預先選定的數據顯示項目，可將各種電力數據顯示于液晶屏幕上。
本發明的一較佳實施例中，模擬信號調節電路10，負責擷取一模擬信號、將此模擬信號調制成具有適當極性及振幅的調節后的電壓/電流信號、以及輸出調節后的電壓/電流信號與一增益控制信號。于一實施例中，模擬信號為外部信號檢測元件所接收或產生的電壓、電流、壓力等物理信號。再者，模擬信號調節電路10包含一固定增益及自動調整增益的模擬信號調節電路，可產生一組增益控制信號，并通過此增益控制信號放大/衰減的增益，自動調整輸入信號的放大或衰減，使此模擬信號成為一具有適當極性及振幅的電壓/電流信號。
模擬信號調節電路10的較佳實施例之一可以參照使用本案同一申請人的臺灣專利，題目為「具有擴充增益使用范圍的模擬信號增益自動調整電路」，申請號091221128；臺灣新型專利號188202，題目為「模擬信號的自動增益調整電路」；美國專利號6577191，題目為「Automatic gain control circuit for analog signals」；以及中國大陸實用新型專利號ZL01261062-3，題目為「仿真信號的自動增益調整控制電路」。
其次，模擬/數字轉換電路11，連接模擬信號調節電路10，接收調整后的電壓/電流信號，并負責將調整后的電壓/電流信號進行取樣、保持以轉換成數字信號后、輸出電壓/電流數字信號。再者，微控器電路12，用以執行運算、判斷、顯示控制、通訊傳輸控制等功能，以及接收模擬信號調節電路10輸出的增益狀態信號與模擬/數字轉換電路11輸出的數字信號。的后，讀取存儲器電路15中儲存的預先選定的電力參數運算功能項與輸入的補償溫度數值，將其與數字信號及增益狀態信號運算處理，以確保計算結果與外部信號幅度相符，并獲得正確電力數據。
本發明的一較佳實施例的存儲器電路15，參閱圖3，依數據屬性規劃，并規劃所需儲存地址及儲存長度，其包含一數據輸出存儲器20、一數據輸入設定存儲器21、一程序儲存存儲器22、及一使用者自定存儲器23。與此較佳實施例中，數據輸出存儲器20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、電力狀態。數據輸入設定存儲器21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。
其次，程序儲存存儲器22，作為一程序儲存區，儲存電力參數運算程序及選項、通訊協議程序及選項，液晶屏幕顯示程序及選項。于此較佳實施例中，內建參數運算程序群及下列選項通訊協議與數據傳輸、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、PhaseCorrection、FFT、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，使用者自定存儲器23為一空白存儲器，可儲存程序及數據，使用者可于此自行輸入欲儲存的數據或程序。
本發明的其它目的及其結構設計，可由以下實施例說明。參閱圖4所示，其顯示芯片功能選取設定與執行流程。芯片激活的后即處于MCU激活狀態(步驟30)，準備接收外部裝置的輸入，并通知外部裝置已完成接收準備。當外部裝置收到通知后，就傳送一段啟始協議，而輸入的屬性即包含于啟始協議中。芯片依據此段協議判斷此輸入的屬性(步驟31)，然后開始接收。
其次，判斷此輸入的屬性是否為數據(步驟32)，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，將會存入數據輸入設定存儲器21(步驟33)，除非被重新設定，否則數據將不會更新。若為新增功能程序，將會存入程序儲存存儲器22(步驟34)，除非被重新設定，否則程序將不會更新。同時也會傳送一新功能代碼到數據輸入設定存儲器21，等待微控器電路12讀取(步驟35)。一旦外部裝置傳送完畢(步驟36)，也會傳送一段結束協議，通知芯片已完成傳送，然后芯片將重新激活(步驟37)。
一旦芯片重新激活，微控器電路12將會跟著激活，而微控器電路12也立即激活模擬/數字轉換電路11(步驟38)，對數字轉換電路11負責執行模擬數字轉換(步驟40)，并將同時由數據輸入設定存儲器21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數據(步驟39)，并等待讀取模擬/數字轉換值、增益狀態旗標等數據。模擬/數字轉換電路11一旦完成轉換后，會立即將轉換值寫入數據輸入設定存儲器21預定位置(步驟42)，等待微控器電路12讀取，微控器電路12將依據電力參數運算執行程序進行運算或判斷(步驟41)后，將執行結果暫存于數據存儲器中(步驟43)。運算初步結果將依據狀態旗標、判斷極限值、補償設定值等進行調整，然后控器電路12將最后結果依據傳輸選項、顯示選項，分別驅動通訊界面17或液晶顯示驅動界面18，傳送到外部儲存裝置(步驟44)或顯示于液晶屏幕上(步驟45)。依此程序，芯片將不斷循環執行，直到重新設定功能為止。
第一表則為本發明的一實施例中、有關電力參數、數值、旗標的輸出/輸入設定表。配合第一表與以上說明可知，通過本發明的一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片架構，可大幅減化電力量測裝置軔體及硬件的設計，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裝置，故本發明深具產業上的利用價值。
以上已說明本發明的最佳實施例。凡精于此項技藝者，當可依據上述的說明做其它種種改進，惟這些改變仍屬于本發明的發明精神，及所界定的專利范圍中。
權利要求
1.一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，包含一模擬增益調整電路，接收一感測輸入信號，調整以產生具適當振幅或極性的一調整信號，以及一增益狀態信號；一模擬轉換電路，用以將該調整信號轉換為一數字信號；一存儲器，用以儲存預先設定的多數個電力參數項目；及一微控器，根據使用者所選定的量測項目，針對該預設電力參數項目之一，并配合該增益狀態信號，以處理該轉換的數字信號，藉此得到一電力量測輸出信號。
2.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，更包含一電源及電壓參考源電路，接收一外部電源，提供該模擬增益調整電路及該模擬轉換電路所需的一比較基準電壓源。
3.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，更包含一時序電路，提供至少一時序給可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片。
4.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，更包含一溫度感測電路，配合該存儲器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.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，更包含一界面電路，將該電力量測輸出信號傳輸至一外部裝置。
6.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，更包含一顯示電路，將該電力量測輸出信號的電力數據顯示于一顯示屏上。
7.如權利要求1所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，其中該存儲器包含一數據輸出區、一數據輸入設定區、一程序儲存區、及一使用者自定區。
8.如權利要求7所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，其中該數據輸出區儲存該量測項目。
9.如權利要求7所述的可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，其中該程序儲存區儲存復數個電力參數運算程序及該多數個電力參數項目。
10.一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測方法，包含提供一存儲器，以儲存預先設定的多數個電力參數項目；接收一感測輸入信號；調整該感測輸入信號以產生具適當振幅或極性的一調整信號，以及一增益狀態信號；轉換該調整信號成為一數字信號；及根據使用者所選定的量測項目，針對該預設電力參數項目之一，并配合該增益狀態信號，以處理該轉換的數字信號，藉此得到一電力量測輸出信號。
11.如權利要求10所述的可程序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信號的數據于一顯示屏上。
12.如權利要求10所述的可程序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。
全文摘要
一種可程序選定執行功能的泛用型電力量測芯片，包含模擬增益調整電路、模擬/數字轉換電路、存儲器與微控器。其中模擬增益調整電路可接收感測輸入信號，調整以產生具適當振幅或極性的一調整信號以及一增益狀態信號。模擬/數字轉換電路用以將調整信號轉換為一數字信號。存儲器用以儲存預先設定的若干電力參數項目。微控器，根據使用者所選定的量測項目，針對預設電力參數項目之一，并配合增益狀態信號，以處理轉換的數字信號，藉此得到一電力量測輸出信號。此芯片減少零件使用數，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的生產調整期。
文檔編號G01R19/25GK1641363SQ20041000185
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月14日 優先權日2004年1月14日
發明者林泗水, 曾文良, 陳展鵠 申請人:財團法人工業技術研究院