專利名稱：超低功耗全失壓測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種超低功耗全失壓測量裝置，主要用于電子式電能表用電量的測量， 特別是三相電能表用電量的測量，屬電能表電子測量裝置制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
CN2578837Y、名稱"三相電能表"，1 、 一種三相電能表，其特征是由三個分流器分別 作為三個單相電流取樣部件，同時還包括三個單相電壓取樣部件、三個單相電能計量芯片、 六個光輥耦、采集各相電壓相位和幅值的電阻分壓器和放木器，以及EPLD 、 CPU 、存儲器、 顯示器、通訊接口、按鍵組成，各相的分流器的電流相位信號輸出接口通過光電隔離部件與 CPU相連，各相的分流器的電流信號輸出接口以及各相的電壓取樣部件的電壓信號輸出接口 與電能計量芯片相連，電能計量芯片的電能信號輸出接口通過光電隔離部件(光藕)與CPU相 連，電阻分壓器和放大器的電壓相位信號、幅值信號的輸出接口與EPLD 、 CPU附相連，CPU 連接存儲器、顯示器、通訊接口、按鍵。其不足之處 一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，可 靠性差；二是測量精度低，能耗高。
發(fā)明內(nèi)容
設(shè)計目的避免背景技術(shù)中的不足之處，設(shè)計一種電路結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、性能穩(wěn) 定可靠、測量精度高且能耗超低的超低功耗全失壓測量裝置。
設(shè)計方案為了實現(xiàn)上述設(shè)計目的。1、本實用新型采用MSP430系列單片機，是本實用
新型的特征之一。MSP430系列單片機是一款超低功耗，16位RISC架構(gòu)的單片機，目前有 MSP430Flxxx，MSP430F2xxx和MSP430F4xxx等子系歹lj，其中有MSP430F13x、MSP430F14x、 MSP430F15x、 MSP430F16x、 MSP430F43x、 MSP430F44x禾卩MSP430FG461x等系列都有 ADC12模塊，將其用于三相電能表的測量裝置中，每相電流信號通過兩路不同放大倍數(shù)的電 路，同時輸入微控制器的ADC輸入口，這樣把電流分為兩個不同的范圍段。當電流處于不 同的段時，通過微控制器內(nèi)部的軟件來判斷，采用相應(yīng)的那一路的電流采樣數(shù)據(jù)來進行計量。 使用這種計量方案，采用12bit的ADC可實現(xiàn)0.5級精度的三相電能計量。由于此方案是采 用MCU內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而不是采用MCU+電能計量芯片的方案來進行電能計量的，因 此，應(yīng)用很靈活，可在全失壓狀態(tài)下，采用電池供電時，對電流和電壓通道進行采樣。
技術(shù)方案超低功耗全失壓測量裝置，電池的輸出端接MSP430單片機電源端，電流和 電壓通道電流信號輸出端分別接電阻分壓和電流互感器的輸入端，電阻分壓的輸出端接 MSP430單片機信號端，電流互感器的輸出端接大小放大電路的輸入端，大小放大電路的輸 出端接MSP430單片機的信號端。
本實用新型與背景技術(shù)相比， 一是電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、可靠；二是超低能耗，能實現(xiàn) 全失壓測量；三是制造成本低，便于推廣應(yīng)用。


圖1是采用MSP430的單芯片的三相電能表方框示意圖。
圖2是三相多功能電能表電流通道中，其中一相的電流通道的電路圖示意圖。
圖3是三相多功能電能表電流通道中，其中一相的電壓通道的電路圖示意圖。
圖4是三相多功能電能表的外部電壓檢測電路示意圖。
圖5是三相多功能電能表主程序及中斷程序流程圖。
圖6是三相多功能電能表全失壓狀態(tài)下功耗示意圖。
具體實施方式
實施例1:參照附圖1~6。超低功耗全失壓測量裝置，采用MCU內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行 電能計量，在全失壓狀態(tài)下，采用電池供電時，對電流和電壓通道進行采樣，每相電流信號 通過兩路不同放大倍數(shù)的電路，同時輸入至微控制器的ADC輸入口且把電流分為兩個不同 的范圍段，當電流處于不同的段時，通過微控制器內(nèi)部的軟件來判斷，采用相應(yīng)的那一路的 電流采樣數(shù)據(jù)來進行計量。
電流通道由PHASE、電阻Rw、電容C,、 二極管D^、運算放大器IC1A IC2A構(gòu)成， PHASE的1腳和2腳分別接R！和C,兩端、D,負極、Ds的正極及R2、R3、R6的一端至VREF/2, D2負極接VDD, D!的正極接地，R2的另一端接IC1A的同相輸入端(第3腳)，113的另一端 接IC1A的反相輸入端(第2腳及R4的一端，R4的另一端接IC1A的輸出(第l腳)、Rs的 一端至M-HIGH, R6的另一端接IC2A的同相輸入端(第3腳)，R5的另一端接IC2A的反 相輸入端(第2腳)和R7的一端，117的另一端接IC2A的輸出(第l腳)至1A-L0W。電流 通道通過兩級運放同時輸入到ADC12模擬端口 ， VREF/2為電流通道的提升電壓，由ADC12 的參考電壓源提供，VDD為可控電源，由MCU控制它的通斷。
電壓通道由電阻R22~28、電容C5 C4、 二極管D4~D5構(gòu)成，1122的一端接R23的一端，R23的
另一端接R24的一端，R24的另一端接R25、 R26、 R28的一端及D4負極和D5的正極,1125的另一 端接C5和C4 一端、D4的正極及地,Cs和C4的另一端接R26的另一端及R27的一端，R27的另一 端接D5負極及VDD，R28的另一端接VA.電壓通道通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓,然后通過電阻接到ADC12的模擬輸入端口， VDD為可控電源。
超低功耗全失壓測量裝置的測量方法，(1)在正常工作狀態(tài)下，MCU處于活動狀態(tài)， ADC12等各個模塊均處于打開狀態(tài)，ADC12的工作模式為序列通道單次采樣模式，由 Timer-A的0UT1觸發(fā)，觸發(fā)頻率為3276.8 Hz，當采樣次數(shù)達到之后，就可計算有功，無功， 電壓，電流，功率因數(shù)和頻率等參數(shù)；(2)在全失壓狀態(tài)下，MCU絕大部分時間處于低功耗 模式，只有時鐘，LCD顯示的更新及定時打開ADC12測量電壓和電流時，MCU啟動，同時， ADC12，定時器等模塊及可控電源VDD處于關(guān)閉狀態(tài)；(3)定時測量電壓，電流的時間間隔 一般60秒鐘測一次，ADC12的采樣頻率為3276.8Hz，采樣次數(shù)為1 2個周波的次數(shù)；當 ADC12的采樣次數(shù)到了之后，即可關(guān)閉VDD電源，同時MCU進入活動狀態(tài)，開始計算參 數(shù)，計算完成后又進入到低功耗模式。超低功耗全失壓測量裝置的主程序及中斷程序，見附 圖7。
一、 MSP430的超低功耗特性
要實現(xiàn)全失壓測量，要求MCU的功耗低，功能強大。MSP430系列單片機是一款超低 功耗單片機，具有以下一些特性-
1、 工作電壓1.8V-3. 6V
2、 超低功耗活動模式200 μ A (2. 2V, lMHz)
待機模式1. 1μ A 關(guān)閉模式(RAM保持)0. 1μ A
3、 5種省電模式從待機模式喚醒少于6微秒，MSP430F2xxx系列從待機模式喚醒少于 l微秒；16位RISC結(jié)構(gòu)，125納秒指令周期；MSP430F2xxx系列指令周期為62.5納秒；
4、 具有豐富的外圍模塊ADC12,
16位定時器Timer—B (7個捕獲/比較寄存器)
16位定時器Timer—A (3個捕獲/比較寄存器)
兩路串行通訊接口 USARTO， USART1
硬件乘法器
集成160段LCD驅(qū)動
內(nèi)置模擬比較器Comparator_A
5、上電復(fù)位電路，供電電壓管理監(jiān)視模塊。
二、 三相多功能電表電流通道，電壓通道及系統(tǒng)電壓監(jiān)測
1、 圖2是其中一相的電流通道的電路圖電流通過兩級運放同時輸入到ADC12模擬端 口， VDD為可控電源，在全失壓狀態(tài)下，可由MCU控制它的通斷，VREF/2為電流通道的 提升電壓，它由ADC12的參考電壓源提供。
2、 圖3為其中一相的電壓通道的電路圖三相電壓通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，然后通過電阻接 到ADC12的模擬輸入端口， VDD為可控電源。
3、 圖4為外部電壓檢測電路系統(tǒng)電壓Vsupply通過電阻分壓后，連接到比較器的兩個
輸入腳CA0和CA1。當外部斷電時，Vsupply開始下降，這樣比較器可提前通知系統(tǒng)進入到 超低功耗的實時時鐘狀態(tài)。
三、三相多功能電能表工作原理
在正常工作狀態(tài)下，MCU處于活動狀態(tài)，ADC12等各個模塊均處于打開狀態(tài)。
ADC12的工作模式為序列通道單次采樣模式，由Timer-A的0UT1觸發(fā)，觸發(fā)頻率為
3276.8 Hz。當采樣次數(shù)達到之后，就可計算有功，無功，電壓，電流，功率因數(shù)和頻率等參
數(shù)，其計算公式<formula>see original document page 6</formula>
在全失壓狀態(tài)下，MCU絕大部分時間處于低功耗模式3,只有時鐘,LCD顯示的更新及定時 打開ADC12測量電壓和電流時,MCU才是活動的，同時，ADC12，定時器等模塊及可控電源 VDD也絕大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在測量電壓和電流時才開啟，這樣可大大節(jié)省功耗。
定時測量電壓，電流的時間間隔，可根據(jù)具體的需求來確定， 一般60秒鐘測一次是可以 接受的。ADC12的采樣頻率仍可為3276.8Hz，采樣次數(shù)可為1-2個周波的次數(shù)。
當ADC12的采樣次數(shù)到了之后，就可關(guān)閉VDD電源，同時MCU進入活動狀態(tài)，開始 計算參數(shù)，計算完成后又進入到低功耗模式3。
上述的計算公式為現(xiàn)有技術(shù)，在此不作敘述。
四、全失壓狀態(tài)下的功耗分析
圖7為全失壓狀態(tài)下功耗示意圖。
在LPM3模式，3.3V下，電流典型值為1.6uA，最大值為1.9uA LCD驅(qū)動0.8 uA RTC功能0.03uA 液晶顯示器3.5uA
這樣實現(xiàn)實時時鐘功能所需要的平均功耗為1.6uA+0.8 uA+0.03uA+3.5uA=5.93uA
在測量期間，所耗電的器件及模塊有
電壓通道所需要的電流為3 X3.3V/(10K+15K+0.01K)=396 uA
電流通道的運放所需電流為2X410 uA=820 uA
ADC12模塊所需電流為800uA
ADC12的參考電壓REF所需電流為500uA
CPU工作在3.3V/8MHz所需電流為(420+175uA/VX(3.3V-3V)) X8=3780uA
在測量的時候，首先需要將電源VDD打開，同時將ADC12的參考電壓VREF打開，參 考電壓及VDD的穩(wěn)定按最長17ms計算，而在電壓穩(wěn)定期間，CPU可處于LPM3狀態(tài)。ADC12 的采樣次數(shù)為2個周波131次，時間為40ms，在ADC12采樣及轉(zhuǎn)換期間，CPU可處于LPMO 模式，這里仍按CPU處于活動模式考慮。
采樣完成后，CPU計算所需時間8298/8388608=990us
這樣，按每60秒測量一次來計算，測量所需的平均功耗為/l000/60=4.22uA 總的平均功耗為5.93uA+4.22uA=10.15uA
一顆1.2Ah的電池，不考慮自放電等因素，可使用的年限為1.2X1000000uAh/10.15 uA/24h/365cN13.5年。
需要理解到的是上述實施例雖然對本實用新型作了比較詳細的說明，但是這些說明， 只是對本實用新型的簡單說明，而不是對本實用新型的限制，任何不超出本實用新型實質(zhì)精 神內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本實用新型的保護范圍內(nèi)，
權(quán)利要求1、一種超低功耗全失壓測量裝置，其特征是電池的輸出端接MSP430單片機電源端，電流和電壓通道電流信號輸出端分別接電阻分壓和電流互感器的輸入端，電阻分壓的輸出端接MSP430單片機信號端，電流互感器的輸出端接大小放大電路的輸入端，大小放大電路的輸出端接MSP430單片機的信號端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗全失壓測量裝置，其特征是電流通道由PHASE、電阻 Ri~7、電容C卜二極管Dw、運算放大器IC1A IC2A構(gòu)成，PHASE的1腳和2腳分別接R, 和d兩端、Di負極、D2的正極及R2、 R3、 R6的一端至VREF/2， D2負極接VDD， D！的正 極接地，R2的另一端接IC1A的同相輸入端，R3的另一端接IC1A的反相輸入端及R4的一端， R4的另一端接IC1A的輸出端、R5的一端至1A-HIGH， Re的另一端接IC2A的同相輸入端， R5的另一端接IC2A的反相輸入端和R7的一端，R7的另一端接IC2A的輸出至1A-L0W。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超低功耗全失壓測量裝置，其特征是電流通道通過兩級運放 同時輸入到ADC12模擬端口 ， VREF/2為電流通道的提升電壓，由ADC12的參考電壓源提 供，VDD為可控電源，由MCU控制它的通斷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗全失壓測量裝置，其特征是電壓通道由電阻1122~28、電容Cs C4、 二極管D4 Ds構(gòu)成，R22的一端接R23的一端，R23的另一端接R24的一端，R24的 另一端接R25、 R26、 R28的一端及D4負極和Ds的正極，R25的另一端接Cs和C4一端、D4的 正極及地，C5和C4的另一端接R26的另一端及R27的一端，R27的另一端接D5負極及VDD，R28的另一端接VA。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的超低功耗全失壓測量裝置，其特征是電壓通道通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，然后通過電阻接到ADC12的模擬輸入端口， VDD為可控電源。
專利摘要本實用新型涉及一種超低功耗全失壓測量裝置，主要用于電子式電能表用電量的測量，特別是三相電能表用電量的測量，采用MCU內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行電能計量，在全失壓狀態(tài)下，采用電池供電時，對電流和電壓通道進行采樣，每相電流信號通過兩路不同放大倍數(shù)的電路，同時輸入至微控制器的ADC輸入口且把電流分為兩個不同的范圍段，當電流處于不同的段時，通過微控制器內(nèi)部的軟件來判斷，采用相應(yīng)的那一路的電流采樣數(shù)據(jù)來進行計量。優(yōu)點一是電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、可靠；二是超低能耗，能實現(xiàn)全失壓測量；三是制造成本低，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01R19/25GK201181316SQ20072011446
公開日2009年1月14日 申請日期2007年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月8日
發(fā)明者周震宇, 源 梁, 趙振東, 陳賢興 申請人:杭州利爾達科技有限公司