專利名稱：一種全能電能計量芯片的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微電子技術領域，尤其是一種全能電能計量芯片。
背景技術：
我國是一個電能表應用大國，每年全國需求約3000萬臺，目前我國的電能表主要有機械電能表、機電一體化電能表及全電子式電能表。由于電子工藝的發展與進步以及電能表技術的發展，全電子式電能表的可靠性、穩定性、經濟性都有了極大的提高，目前全電子式電能表所占市場份額在70%左右，由于電能表牽涉到千家萬戶，根據市場需求，電能表需要進一步增加功能，提高可靠性。目前電能表中用到的專用電能計量芯片，存在著以下幾方面的缺陷1、程序部分已經由芯片廠家固化，用戶只能訪問和設置相關的寄存器，即用戶不能根據自己的需求更改程序來滿足一些不同的要求，若按照用戶的需求由廠家來更改，則需要很長的周期，影響了整個產品的上市時間；2、不具備判斷火線電流和零線電流的大小，存在被竊電的問題； 3、計量芯片與外部MCU的通訊方式只有SPI，由于SPI通訊本身的特性決定了采用這種方式的可靠性不高，通訊的正確與否不能得到保證。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種全能電能計量芯片。本實用新型具有設置靈活，開發周期短和通訊可靠性高的特點。為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案如下一種全能電能計量芯片，其特征在于，包括3路二階16位Σ-AADC，用于同時采樣三路模擬信號并將采樣的模擬信號轉換為
數字信號；3路梳狀數字濾波器，分別與3路二階16位Σ -AADC輸出端連接，用于將輸入的數字信號進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，保證數字信號的有效位數；3路高通濾波器，分別與3路梳狀數字濾波器輸出端連接，用于濾除采樣信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值；電參數計量單元，與3路高通濾波器連接，用于將濾波后的信號進行計量得到電參數；電源管理單元，用于為3路二階16位Σ -Δ ADC和電參數計量單元提供電源。前述的全能電能計量芯片中，所述的3路二階16位Σ -AADC的輸入端分別連接有可編程增益放大器PGA，用于對小信號進行放大，保證寬電流范圍的準確測量。前述的全能電能計量芯片中，所述的電參數計量單元的輸出端連接有脈沖發生器和通信接口，通信接口包括UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口，用于完成電參數的讀取，實現電參數計量單元的計量結果與外圍設備間的數據交換。前述的全能電能計量芯片中，所述的電參數計量單元，是內部設有可編程的16Κ字節的程序存儲單元和512字節的數據存儲單元且主頻可調的數字信號處理器，最高主頻為8MHz，可根據不同的工作模式和測量要求選擇不同的采樣頻率。前述的全能電能計量芯片中，所述的三路模擬信號包括火線電流信號、零線電流信號和電壓信號，用于將火線電流信號與零線電流信號的大小進行比較實現防竊電功能。前述的全能電能計量芯片中，所述的電參數包括火線的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和頻率，零線的電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數。根據前述的全能電能計量芯片實現的電能計量方法中，將電壓測量、火線電流測量和零線電流測量信號轉換成數字信號，將數字信號通過梳狀數字濾波器進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，再通過高通濾波器濾除測量信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值，最后通過電參數計量單元將濾波后的信號進行計量得到電參數。前述的電能計量方法中，所述的將電壓測量、火線電流測量和零線電流測量信號轉換成數字信號的方法，是通過三路采樣電路對電壓信號、火線電流信號和零線電流信號進行采樣得到三路模擬信號，并通過可編程增益放大器對三路模擬信號進行放大，再通過二階16位Σ -AADC將采樣的模擬信號轉換為數字信號。前述的電能計量方法中，通過判斷火線電流和零線電流的大小，當檢測到兩路電流不平衡時，自動選擇較大電流通道來計量，實現防竊電功能。前述的電能計量方法中，所述的電參數計量單元通過UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口，實現電參數計量單元的計量結果與外圍設備間的數據交換。本實用新型的有益效果與現有技術相比，本實用新型采用內部設有可編程的 16Κ字節的程序存儲單元和512字節的數據存儲單元且主頻可調的數字信號處理器作為電參數計量單元，對轉換后的數字量進行計算得到電參數，該數字信號處理器具有16位的精簡指令結構，125ns的指令周期，精簡的指令和高效的架構，為大量的數據運算提供了保障；內部集成32位x32位、16位xl6位的硬件乘法器，支持乘加運算，提高了代碼效率；內部16K字節的程序存儲單元和512字節的數據存儲單元都是可編程的，設置靈活，開發周期比較短，為用戶的多樣化需求提供了可能；可編程的程序存儲單元，可以存儲電能計量的算法程序，內置數據存儲單元，可保存電表校準后的參數，這些參數掉電不丟失，再次上電時不需重新配置，還可以根據不同用戶的需求開發不同的應用程序。與外圍設備(如MCU主控芯片)間的連接采用UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口，通訊方式靈活方便； 在SPI通訊中增加累加和校驗碼，即將接收到的命令碼與發送的數據進行累加，作為校驗碼在通訊數據結束后發送給MCU主控芯片，MCU主控芯片可以根據接收到的校驗碼與自己產生的校驗碼進行比較來判斷通訊是否成功，這樣就需要在常規的SPI通訊模式下增加一個字節作為校驗碼，提高通訊的可靠性。也可采用UART通訊方式，而UART通訊有起始位、偶校驗位和停止位，這樣通訊的可靠性也可以得到保證，另外在隔離的通訊方式中，使用UART 方式可以節省隔離器件，具有降低成本的優勢。還能通過判斷火線電流和零線電流的大小， 當檢測到兩路電流不平衡時，自動選擇較大電流通道來計量，實現防竊電功能。
圖1是本實用新型的結構示意圖；[0022]圖2是實施例中的相位校準示意圖；圖3是本實用新型的應用示意圖；圖4是電壓采樣電路；圖5是電流采樣電路；圖6電壓有效值的計算原理圖；圖7有功功率測量的原理圖；圖8無功功率測量的原理圖；圖9視在功率測量的原理圖。附圖中的標記為1-可編程增益放大器PGA，2-二階16位Σ _AADC，3_梳狀數字濾波器，4-高通濾波器，5-電參數計量單元，6-脈沖發生器，7-通信接口，8-UART通信接口， 9-SPI通信接口，10-電源管理單元，11-三路模擬信號，12-火線電流信號，13-零線電流信號，14-電壓信號，15-全能電能計量芯片，16-通信模塊，17-按鍵模塊，18-存儲器。下面結合具體實施方式
對本實用新型作進一步的說明，本實用新型的實施方式不限于下述實施例，在不脫離本實用新型宗旨的前提下做出的各種變化均屬于本實用新型的保護范圍之內。
具體實施方式
實施例。一種全能電能計量芯片，構成如圖1所示，其特征在于，包括3路二階16位Σ -AADC2，用于同時采樣三路模擬信號11并將采樣的模擬信號轉換為數字信號，所述的二階16位Σ - AADC2能支持差分信號的輸入，最高時鐘速率達 IMHz ；3路梳狀數字濾波器3，分別與3路二階16位Σ - Δ ADC2輸出端連接，用于將輸入的數字信號進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，保證數字信號的有效位數；3路高通濾波器4，分別與3路梳狀數字濾波器3輸出端連接，用于濾除采樣信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值；電參數計量單元5，與3路高通濾波器4連接，用于將濾波后的信號進行計量得到電參數；電源管理單元10，用于為3路二階16位Σ -AADC2和電參數計量單元5提供電源。所述的3路二階16位Σ - Δ AD2C的輸入端分別連接有可編程增益放大器(PGA) 1， 用于對小信號進行放大，保證寬電流范圍的準確測量，所述的可編程增益放大器通過采樣電路進行采樣，采樣電路通過選取電壓和電流采樣電路的RC時間常數，保證電流和電壓在采樣電路上的時間延遲在一定的范圍內；完全獨立的3路二階16位Σ -AADC可以對電壓和電流同時進行采樣和轉換，并且每一個轉換通道可以預設數值，實現延遲或提前采樣和轉換；相位校準如圖2所示，可通過修改相位校準因子的方法對由電流互感器和模擬前端引入的相位差進行全面的校準。所述的電參數計量單元5的輸出端連接有脈沖發生器6和通信接口 7，通信接口 7 包括UART通信接口 8或具有校驗碼的SPI通信接口 9，用于完成電參數的讀取，實現電參數計量單元的計量結果與外圍設備間的數據交換。[0040]所述的電參數計量單元5，是內部設有可編程的16K字節的程序存儲單元和512字節的數據存儲單元且主頻可調的數字信號處理器，最高主頻為8MHz，可根據不同的工作模式和測量要求選擇不同的采樣頻率，該數字信號處理器具有16位的精簡指令結構，125ns 的指令周期，精簡的指令和高效的架構，為大量的數據運算提供了保障；內部集成32位x32 位、16位xl6位的硬件乘法器，支持乘加運算，提高了代碼效率。所述的三路模擬信號11包括火線電流信號12、零線電流信號13和電壓信號14。所述的電參數包括火線的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和頻率，零線的電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數。實現上述的全能電能計量芯片實現的電能計量方法，其特征在于將電壓測量、火線電流測量和零線電流測量信號轉換成數字信號，將數字信號通過梳狀數字濾波器進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，再通過高通濾波器濾除測量信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值，最后通過電參數計量單元將濾波后的信號進行計量得到電參數。所述的將電壓測量、火線電流測量和零線電流測量信號轉換成數字信號的方法， 是通過三路采樣電路對電壓信號、火線電流信號和零線電流信號進行采樣得到三路模擬信號，并通過可編程增益放大器對三路模擬信號進行放大，再通過二階16位Σ - Δ ADC將采樣的模擬信號轉換為數字信號。通過判斷火線電流和零線電流的大小，當檢測到兩路電流不平衡時，自動選擇較大電流通道來計量，實現防竊電功能。所述的電參數計量單元通過UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口，實現電參數計量單元的計量結果與外圍設備間的數據交換。本實用新型的應用如下，將全能電能計量芯片15通過UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口與MCU主控芯片連接組成單相電表的電路，實現單相電表的各種功能，如圖3所示，利用UART通信接口或具有校驗碼的SPI通信接口傳遞數據給MCU主控芯片，并通過MCU主控芯片控制IXD顯示、數據的存儲和抄表通訊功能，MCU主控芯片還連接有通信模塊16、按鍵模塊17和存儲器18，通信模塊16可對外進行無線通信，按鍵模塊17可進行按鍵操作，存儲器18可存儲數據，方便使用。利用連接全能電能計量芯片的采樣電路采樣模擬信號，采樣電路包括電流采樣電路和電壓采樣電路。電流采樣電路可以是電流互感器取樣，也可以是錳銅分流器取樣。電流互感器取樣是將被測信號通過CT的變比，轉化為適合全能電能計量芯片測量的小信號，同時使得測量電路與被測信號隔離。錳銅分流器取樣是將錳銅直接串入電流回路，根據錳銅電阻上的壓降與流過的電流大小成正比的關系，得到被測電流的數值。電壓采樣電路是通過電阻分壓，將220V的交流電壓降為幾百毫伏的交流信號，輸入電壓通道的二階16位Σ - Δ ADC轉換為數字信號，再根據電參數的計算原理將這些數字量經過各種處理和運算，轉換為需要的電參數，可以計算出電流、電壓的有效值、 有功功率、無功功率和視在功率，并將這些功率值累加，得到相應的能量。MCU主控芯片通過 SPI通訊接口讀取這些電參數，進行分析處理，根據這些數據判斷是否要做出相應的動作， 控制與其連接的外設。電壓采樣電路和電流采樣電路分別如圖4和5所示，采集火線和零線上的電壓和電流信號，輸入全能電能計量芯片15的ADC端口(即二階16位Σ - AADC)，完成模擬信號到數字信號的轉換，數字信號先經梳狀數字濾波器，濾除量化噪聲，再經過高通濾波器，濾除采樣信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值。電壓有效值的計算原理如圖6所示，電壓瞬時采樣值先經過高通濾波器，濾除直流分量，將此瞬時采樣值做平方運算，并累加起來，然后除以累加的個數，并開平方根，最后乘以電壓有效值的增益系數，此時就是電壓有效值數據。有功功率測量的原理見圖7。無功功率是對電壓信號移相-90度后，再按照有功功率的方法計算平均無功功率值。無功功率測量的原理見圖8。將平均有功功率和無功功率分別平方再相加，再開平方根，就得到視在功率。視在功率測量的原理見圖9。MCU主控芯片通過SPI或UART通訊接口讀取全能電能計量芯片中測量到的電參數，同時通過MCU主控芯片將上位機計算出來的校表參數回傳給全能電能計量芯片，并保存在全能電能計量芯片內部的信息程序存儲單元中，MCU主控芯片根據全能電能計量芯片輸出的高頻脈沖數來累加能量，并存入外部E2P程序存儲單元中，更新IXD的顯示。
權利要求1.一種全能電能計量芯片，其特征在于，包括3路二階16位Σ -Δ ADC( ，用于同時采樣三路模擬信號(11)并將采樣的模擬信號轉換為數字信號；3路梳狀數字濾波器(3)，分別與3路二階16位Σ - Δ ADC(2)輸出端連接，用于將輸入的數字信號進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，保證數字信號的有效位數；3路高通濾波器G)，分別與3路梳狀數字濾波器C3)輸出端連接，用于濾除采樣信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值；電參數計量單元(5)，與3路高通濾波器(4)連接，用于將濾波后的信號進行計量得到電參數；電源管理單元(10)，用于為3路二階16位Σ -AADC (2)和電參數計量單元(5)提供電源。
2.根據權利要求1所述的全能電能計量芯片，其特征在于所述的3路二階16位 Σ - ΔADC(2)的輸入端分別連接有可編程增益放大器PGA(l)，用于對小信號進行放大，保證寬電流范圍的準確測量。
3.根據權利要求1所述的全能電能計量芯片，其特征在于所述的電參數計量單元(5) 的輸出端連接有脈沖發生器(6)和通信接口(7)，通信接口(7)包括UART通信接口(8)或具有校驗碼的SPI通信接口(9)，用于完成電參數的讀取，實現電參數計量單元的計量結果與外圍設備間的數據交換。
4.根據權利要求1所述的全能電能計量芯片，其特征在于所述的電參數計量單元 (5)，是內部設有可編程的16K字節的程序存儲單元和512字節的數據存儲單元且主頻可調的數字信號處理器，最高主頻為8MHz，可根據不同的工作模式和測量要求選擇不同的采樣頻率。
專利摘要本實用新型公開了一種全能電能計量芯片，包括3路二階16位∑-ΔADC，用于同時采樣三路模擬信號并將采樣的模擬信號轉換為高精度的數字信號；3路梳狀數字濾波器，分別與3路二階16位∑-ΔADC輸出端連接，用于將輸入的數字信號進行濾波，濾除數字信號本身固有的量化噪聲，保證數字信號的有效位數；3路高通濾波器，分別與3路梳狀數字濾波器輸出端連接，用于濾除采樣信號中的直流分量和集成電路本身的直流偏置值；電參數計量單元，與3路高通濾波器連接，用于將濾波后的信號進行計量得到電參數；電源管理單元，用于為3路二階16位∑-ΔADC和電參數計量單元提供電源。本實用新型具有設置靈活，開發周期短和通訊可靠性高的特點。
文檔編號G01R21/133GK202093092SQ20112010925
公開日2011年12月28日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者于廣游, 張其華, 謝俊, 趙振東 申請人:利爾達科技有限公司