單相電能計量系統

《單相電能計量系統》是萬高（杭州）科技有限公司於2013年5月13日申請的專利，該專利的公布號為CN103424617A，申請號為2013101776833，授權公布日為2013年12月4日，發明人是楊昆、鐘書鵬、門長有、趙岩。

《單相電能計量系統》揭示了一種單相電能計量系統，包括多路模擬/數字轉換電路、數位訊號處理電路及UART通信接口電路，其中該多路模擬/數字轉換電路至少有一路設有多路選擇器電路，用以接收其他的交流、直流信號，該多路模擬/數字轉換電路的輸出端與數位訊號處理電路的輸入端連線，數位訊號處理電路對該多路模擬/數字轉換電路輸出的信號進行處理，而UART通信接口電路用以與外部的控制單元進行通信，外部的控制單元獲取數位訊號處理電路輸出的信息，並對模擬數字轉換電路和數位訊號處理電路進行配置。

2018年12月20日，《單相電能計量系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《單相電能計量系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：單相電能計量系統
• 公布號：CN103424617A
• 授權日：2013年12月4日
• 申請號：2013101776833
• 申請日：2013年5月13日
• 申請人：萬高（杭州）科技有限公司
• 地址：浙江省杭州市濱江區丹楓路788號海越大廈9樓
• 發明人：楊昆、鐘書鵬、門長有、趙岩
• Int.Cl.：G01R22/10(2006.01)I
• 代理機構：上海和躍智慧財產權代理事務所（普通合夥）
• 代理人：孟建勇
• 類別：發明專利

專利背景

電能計量表從早期的機械式電能表、計度器數字電能表、液晶簡單數字電能表逐漸向智慧型電錶發展。其功能從簡單的計量能量逐漸增加，逐步加入了無功計量、有效值測量、基波功率計量、基波有效值測量。在最近的發展趨勢中，又增加了繼電器狀態、外部電磁場等直流、交流信號的測量和監控等。這些對電能計量系統的功能、模擬/數字轉換電路的個數及性能都提出了更高的要求。

發明內容

專利目的

《單相電能計量系統》的目的在於提供一種單相電能計量系統，用以解決2013年5月之前的單相電能計量系統功能單一、無法提供更多測量能力的問題。

技術方案

為實現上述目的，實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統包括三路模擬/數字轉換電路、數位訊號處理電路及UART通信接口電路，其中該三路模擬/數字轉換電路至少有一路設有多路選擇器電路，用以接收交流、直流信號，該三路模擬/數字轉換電路的輸出端與數位訊號處理電路的輸入端連線，數位訊號處理電路對該三路模擬/數字轉換電路輸出的信號進行處理，而UART通信接口電路用以與外部的控制單元進行通信，外部的控制單元獲取數位訊號處理電路輸出的信息，並對模擬/數字轉換電路和數位訊號處理電路進行配置，該三路模擬/數字轉換電路用以對一路電壓、兩路電流和一路交流、兩路直流信號進行轉換，從模擬形態轉換成為三路數位訊號，其中該三路模擬/數字轉換電路均配置有低噪聲模擬放大電路，第一路和第二路的低噪聲模擬放大電路的輸入端分別接入電壓U和A路電流信號IA，而第三路包括一個多路選擇器電路，該多路選擇器電路可以選擇輸入B路電流信號IB、交流輸入信號VT、直流信號VDC1、直流信號VDC2，該多路選擇器電路的輸出端與低噪聲模擬放大電路的輸入端連線，而三個低噪聲模擬放大電路的輸出端與模擬/數字轉換電路連線，模擬/數字轉換電路輸出三路數位訊號U/I和M。

依據上述主要特徵，該數位訊號處理電路包括角差校正、快速電流檢測、電壓/電流直流/交流分量、U信號基波頻率、基波瞬時有功/無功功率/能量、基波平均有功/無功功率/能量、基波瞬時電壓/電流有效值、基波平均電壓/電流有效值、全波瞬時有功/無功功率/能量、全波平均有功/無功功率/能量、全波瞬時電壓/電流有效值及全波平均電壓/電流有效值計算單元。

依據上述主要特徵，該單相電能計量系統還包括參考電壓源，該參考電壓源產生一個不受供電電壓/晶片溫度影響電壓供模擬/數字轉換電路使用。

依據上述主要特徵，電源管理電路包括LDO電源和POR復位管理電路，其中LDO電源產生可配置為1.4伏～2.0伏（復位後默認1.8伏）的電源供系統使用，POR復位管理電路用以在當輸入電壓低於一個水準時產生復位，停止系統工作。

依據上述主要特徵，中斷信號發生電路用以對各種事件提供一個中斷形式的信號供外部控制單元處理。

依據上述主要特徵，系統管理電路根據外部復位輸入信號RSTN以及外部控制單元通過UART通信進行的配置管理系統的工作狀態。

依據上述主要特徵，WDT看門狗電路用於檢測通信過程中的逾時故障。

依據上述主要特徵，晶體起振電路用以提供晶片一個準確的時鐘頻率。

改善效果

實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統可以提供更多的測量能力，可以實現更為全面的功能，從而能滿足不同方便的需求。

附圖說明

圖1為實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統的組成框架示意圖。

技術領域

《單相電能計量系統》涉及對電信號的測量、計量，屬於混合信號處理技術領域，特別是指用於測量、計量單相電能計量表裝置所需的各種電信號的單相電能計量系統。

權利要求

1.一種單相電能計量系統，包括三路模擬/數字轉換電路、數位訊號處理電路及UART通信接口電路，其特徵在於：該三路模擬/數字轉換電路至少有一路設有多路選擇器電路，用以接收交流、直流信號，該三路模擬/數字轉換電路的輸出端與數位訊號處理電路的輸入端連線，數位訊號處理電路對該三路模擬/數字轉換電路輸出的信號進行處理，而UART通信接口電路用以與外部的控制單元進行通信，外部的控制單元獲取數位訊號處理電路輸出的信息，並對模擬/數字轉換電路和數位訊號處理電路進行配置，該三路模擬/數字轉換電路用以對一路電壓、兩路電流和一路交流、兩路直流信號進行轉換，從模擬形態轉換成為三路數位訊號，其中該三路模擬/數字轉換電路均配置有低噪聲模擬放大電路，第一路和第二路的低噪聲模擬放大電路的輸入端分別接入電壓U和A路電流信號IA，而第三路包括一個多路選擇器電路，該多路選擇器電路可以選擇輸入B路電流信號IB、交流輸入信號VT、直流信號VDC1、直流信號VDC2，該多路選擇器電路的輸出端與低噪聲模擬放大電路的輸入端連線，而三個低噪聲模擬放大電路的輸出端與模擬/數字轉換電路連線，模擬/數字轉換電路輸出三路數位訊號U/I和M。

2.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：該數位訊號處理電路包括角差校正、快速電流檢測、電壓/電流直流/交流分量、U信號基波頻率、基波瞬時有功/無功功率/能量、基波平均有功/無功功率/能量、基波瞬時電壓/電流有效值、基波平均電壓/電流有效值、全波平均電壓/電流有效值、全波瞬時有功/無功功率/能量、全波平均有功/無功功率/能量及全波瞬時電壓/電流有效值計算單元。

3.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：該單相電能計量系統還包括參考電壓源，該參考電壓源產生一個不受供電電壓/晶片溫度影響電壓供模擬/數字轉換電路使用。

4.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：電源管理電路包括LDO電源和POR復位管理電路，其中LDO電源產生配置到1.4伏-2.0伏的電源供系統使用，POR復位管理電路用以在當輸入電壓低於一個水準時產生復位，停止系統工作。

5.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：中斷信號發生電路用以對各種事件提供一個中斷形式的信號供外部控制單元處理。

6.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：系統管理電路根據外部復位輸入信號RSTN以及外部控制單元通過UART通信進行的配置管理系統的工作狀態。

7.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：WDT看門狗電路用於檢測通信過程中的逾時故障。

8.如權利要求1所述的單相電能計量系統，其特徵在於：晶體起振電路用以提供晶片一個準確的時鐘頻率。

實施方式

參閱圖1所示，為實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統的組成框架示意圖，實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統適用於單相電能計量表裝置使用，用於對電信號進行測量計量以及提供額外的交流、直流信號的測量功能。該單相電能計量系統包括：

三路模擬/數字轉換電路，對一路電壓、兩路電流和一路交流、兩路直流信號進行轉換，從模擬形態轉換成為三路數位訊號，其中該三路模擬/數字轉換電路均配置有低噪聲模擬放大電路（APGA），第一路和第二路的低噪聲模擬放大電路的輸入端分別接入電壓U和A路電流信號IA，而第三路包括一個多路選擇器電路（MUX），該多路選擇器電路可以選擇輸入B路電流信號IB、交流輸入信號VT、直流信號VDC1、直流信號VDC2，其中圖1中IBP/IBN管腳形成IB的差分輸入，VTP/VTN管腳形成VT的差分輸入，VDC1和VSS（地）管腳形成VDC1的單端輸入（VSS與系統的地共用一個信號），VDC2和VSS（地）管腳形成VDC2的單端輸入，該多路選擇器電路的輸出端與低噪聲模擬放大電路（APGA）的輸入端連線，而三個低噪聲模擬放大電路（APGA）的輸出端與模擬/數字轉換電路（ADC）連線，模擬/數字轉換電路輸出三路數位訊號U/I和M。

一數位訊號處理電路，耦接上述三個模擬/數字轉換電路，對三路數位訊號U/I和M進行處理，其中主要對U/I進行角差補償（即在這兩路信號間加入一些相位延時），並對這些信號進行濾波和處理得到如下的信息：（1）I信號是否超過給定門限的標誌；（2）U/I/M信號的直流分量；（3）U/I/M信號的交流分量；（4）U信號基波成份（頻率在50Hz附近）的頻率值；（5）U/I/M信號的有效值（包括瞬時值和平均值）；（6）U/I/M信號基波成份（頻率在50Hz附近）的有效值（包括瞬時值和平均值）；（7）U/I信號對應的有功/無功功率值（包括瞬時值和平均值）；（8）U/I信號基波成份（頻率在50Hz附近）對應的基波有功/基波無功功率值（包括瞬時值和平均值）；並且該數位訊號處理電路還對一個功率（有功、無功、基波有功、基波無功）進行功率/頻率轉換，即將功率值轉換成為CF信號的頻率進行輸出。在具體實施時，該數位訊號處理電路包括角差校正、快速電流檢測、電壓/電流直流/交流分量、U信號基波頻率、基波瞬時有功/無功功率/能量、基波平均有功/無功功率/能量、基波瞬時電壓/電流有效值、全波平均電壓/電流有效值、全波瞬時有功/無功功率/能量、

全波平均有功/無功功率/能量、全波瞬時電壓/電流有效值及基波平均電壓/電流有效值計算單元等，以完成上述各信息的計算與處理，其工作原理在現在技術中多有描述，此處不再詳細說明。

一UART通信接口電路，與外界的控制單元（未圖示）進行通信，外界的控制單元可以獲取上述所有信息的值，同時可以對模擬/數字轉換電路和數位訊號處理電路進行配置，與外界的控制單元的通信通過TX/RX兩個管腳進行，而B0/B1二個管腳用於配置通信波特率。

另外，該單相電能計量系統還包括其它輔助電路，如參考電壓源（REF）、電源管理電路（LDO電源和POR復位管理電路）、中斷信號發生電路、系統管理電路（復位管理、時鐘管理、工作模式管理等），WDT看門狗電路以及晶體起振電路等。其中參考電壓源用以產生一個不受供電電壓/晶片溫度影響電壓（該實施例中，為1.185伏）供模擬/數字轉換電路使用；LDO電源在該實例中產生可配置為1.4伏～2.0伏（復位後默認1.8伏）的電源供系統使用；POR復位管理電路，用以在當輸入電壓低於一個水準時產生復位，停止系統工作；中斷髮生電路（INT）用以對各種事件（主要是異常復位、內部數據出錯、電流檢測結果等）提供一個中斷形式的信號供外部控制單元處理；系統管理電路（SysCtrl）用以根據外部復位輸入信號RSTN以及外部控制單元通過UART通信進行的配置管理系統的工作狀態；WDT看門狗電路用於檢測通信過程中的逾時故障；OSC晶體起振電路用以提供晶片一個準確的時鐘頻率，在該實施例中採用的是一個6.5536兆赫的晶體。

利用上述的單相電能計量系統能夠完成包括一路電壓、兩路電流及其基波有效值計算、一路有功、無功以及基波有功/無功功率計算、一路能量計量和功率/頻率轉換輸出、以及對兩路直流信號、一路交流信號的測量（包括直流分量和有效值）。

同時，利用上述的架構，實施《單相電能計量系統》的單相電能計量系統可以提供更多的測量能力，可以實現更為全面的功能，從而能滿足不同方便的需求。

可以理解的是，對該領域普通技術人員來說，可以根據《單相電能計量系統》的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於該發明所附的權利要求的保護範圍。

榮譽表彰

2018年12月20日，《單相電能計量系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。