專利名稱：隔離spi總線電能計量模塊及多功能電表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓、電流及功率測量裝置，尤其是一種多功能單相測量線電壓、電流，并計算瞬時電壓和電流有效值(RMS)，有功、無功和視在功率的隔離SPI總線電能計量模塊；以及通過3個或4個相互獨立的隔離SPI總線電能計量模塊組成的三相三線制、三相四線制帶零線電流測量的多功能電表。
背景技術(shù)：
當(dāng)前國內(nèi)外已公知的三相四線制帶零線電流測量的多 功能電表，主要采用單片電計量電路芯片，采集各相電流互感器CT次級電壓與經(jīng)電阻分壓的線電壓，測量瞬時線電壓、相電流，并進(jìn)一步計算出電壓、電流的相位差，及線電壓和相電流的有效值(RMS)，有功、無功和視在功率，累計電量等。特別指出的是已公知的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表，區(qū)別于單功能采集線電壓、相電流，只計算電功率累計電量的電表，是對這類電表的改進(jìn)。但由于已公知的多功能三相四線制帶零線電流測量的電表，是采用各相電流互感器CT及單片電計量電路芯片采集各相的線電壓、電流，因此需要隔離各相線之間的高電壓，并防止高電壓損壞單片電計量電路芯片。一般采用電流互感器CT進(jìn)行電氣隔離相電壓，以及采用零線(N)作為單片電計量電路芯片的參考電位地線，整個電表的電路板是以零線(N)為參照電位，不帶相電壓(高電壓)，便于電表電路板在生產(chǎn)過程中校表與維護(hù)。已公知的采用電流互感器CT的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表主要構(gòu)建結(jié)構(gòu)，參看附圖I。其中四只電流互感器CT的初級分別串接在三條相線及一條零線中，電流互感器CT初級一端與零線之間還設(shè)有電阻分壓電路，互感器的次級及電阻分壓電路與單片電計量電路芯片聯(lián)接，由單片電計量電路芯片測量各相線電流、線電壓等參數(shù)，并計算出瞬時線電壓和相電流有效值(RMS)，有功、無功和視在功率等參數(shù)。上述已公知的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表，采用電流互感器CT、電阻分壓電路測量各相電流、線電壓。該電表的這種構(gòu)建結(jié)構(gòu)方式，無法進(jìn)行大電流(尤其是50A以上)高精度的測量；且電流互感器CT自身是一個感性負(fù)載，其輸出的電壓、電流信號存在一定的相位差，影響測量精度；同時由于測量電路安裝在一塊電路板上，存在電氣隔離不可靠、抗電磁干擾能力較弱等缺陷，并且不便于測試和維修。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單相隔離SPI總線電能計量模塊，該模塊是一種安全絕緣本體，本體內(nèi)部具有電計量電路、光隔離SPI總線及接口電路、光隔離外接接口引腳，本體外安裝電阻分流器，實現(xiàn)單相電參數(shù)的分流器采集與計量，簡稱隔離SPI總線電能計量模塊。并通過3個或4個單相隔離SPI總線電能計量模塊與微處理電路，實現(xiàn)分流器電量采集的三相三線制、三相四線制帶零線電流測量的多功能電表。如圖2所示，本發(fā)明所述的隔離SPI總線電能計量模塊由電阻分流器Rg、電阻分壓器、單相計量電路、SPI光隔離電路組成，所述電阻分流器Rg的兩端分別與單相計量電路信號輸入端Vlp、Vln連接，電阻分壓器由電阻R7和電阻Rn串接而成，電阻R7的一端與電阻分流器Rg的一端連接，并與單相計量電路的信號輸入端V2n連接或通過電阻R8與單相計量電路的信號輸入端V2n連接，電阻R7和電阻Rn的中間端與單相計量電路的信號輸入端V2p連接，單相計量電路的信號輸入、輸出端與SPI光隔離電路連接，所述SPI光隔離電路將單相計量電量的輸入、輸出信號經(jīng)過光隔離后接入SPI總線。其中，電阻分流器Rg —般選用銅合金電阻，優(yōu)選錳鎳銅合金電阻。隔離SPI總線電能計量模塊的電原理示意圖參見附圖3，其中Rg為電阻分流器，電阻R7、R6、R5組成電阻分壓器、其中R6、R5串接成Rn，ICl為單相計量電路，IC2為SPI光 隔離電路。為了使隔離SPI總線電能計量模塊既能測量相線上的電流、電壓，又能測量零線上的電流，可以在電阻分壓器中增加一個開關(guān)SW，開關(guān)SW與電阻Rn串聯(lián)接W。開關(guān)SW閉合時用于測量相電流、電壓，開關(guān)SW斷開時用于測量零線電流。為了實現(xiàn)隔離SPI總線電能計量模塊的模塊化生產(chǎn)，可以將電阻分壓器電阻R7及Rn及開關(guān)SW、單相計量電路、SPI光隔離電路集成封裝在電氣絕緣的絕緣本體內(nèi)，形成一厚膜電路，厚膜電路的一側(cè)引出三個接線端，接線端1、2外接電阻分流器Rg，接線端3與電阻分壓器的一端連接，SPI光隔離電路及接口引腳安裝在厚膜電路的另一側(cè)，形成一個一體化的、小型化的獨立模塊。其中，電阻分流器Rg的阻值可以根據(jù)待測電路的電流大小進(jìn)行選擇。這里，將電阻分流器Rg外接，便于選擇不同阻值的電阻分流器以適用不同計量范圍的要求，尤其滿足大電流的測量。開關(guān)SW可以封裝在電氣絕緣本體內(nèi)，也可以安裝在電氣絕緣本體外。絕緣本體內(nèi)的電子元器件可以按取樣電路(電阻分流器、電阻分壓器)、單相計量電量、光隔離電路依次排列，實現(xiàn)高壓與低壓的分享。封裝在電氣絕緣本體時，應(yīng)當(dāng)事先將開關(guān)SW設(shè)置為閉合或斷開。隔離SPI總線電能計量模塊的外形三視圖參見附圖5。使用時，隔離SPI總線電能計量模塊既可用于計量相線的電參數(shù)(電壓、電流、功率等參數(shù))，也可以用于計量零線的電流。計量相線的電參數(shù)時，電阻分流器Rg串接在待測線路的相線中，待測電路的零線N與電阻分壓器的一端連接，開關(guān)SW設(shè)置為閉合。計量零線電流時，電阻分流器Rg串接在待測線路的零線中，開關(guān)SW設(shè)置為斷開。本發(fā)明還提供一種三相四線制帶零線電流測量的多功能電表。該三相四線制帶零線電流測量的多功能電表，由四只前述的隔離SPI總線電能計量模塊，SPI通信總線，微處理電路組成，其中三只隔離SPI總線電能計量模塊U11、U12、U13的電阻分流器Rg分別串接在待測線路的三條相線中，電阻分壓器的電阻Rn的一端與零線連接，另一只隔離SPI總線電能計量模塊U14的電阻分流器Rg串接在零線中，電阻分壓器的一端與任一相線連接，所述微處理電路與四只隔離SPI總線電能計量模塊通過SPI通信總線連接。附圖6為三相四線制帶零線電流測量的多功能電表的電原理示意圖。供電變壓器為三相四線制，A、B、C相與零線N都有各自獨立的隔離SPI總線電能計量模塊，并通過SPI通信總線與微處理電路相連接，構(gòu)建成三相四線制帶零線電流測量的多功能電表。其中3個隔離SPI總線電能計量模塊U11、U12、U13各自對應(yīng)測量A、B、C相的瞬時線電流、線電壓等電參數(shù)，并進(jìn)一步計算電壓、電流有效值(RMS)，有功、無功和視在功率等參數(shù)，另一個隔離SPI總線電能計量模塊U14測量零線上的電流。微處理電路通常包括微處理器及外圍的通訊接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路及供電電路。本發(fā)明還提供一種三相三線制多功能電表。該三相三線制多功能電表，由三只前述的隔離SPI總線電能計量模塊，SPI通信總線，微處理電路組成，所述三只隔離SPI總線電能計量模塊Ull、U12、U13的電阻分流器Rg依次串接在待測線路的三條相線A、B、C中，電阻分壓器的一端依次與三條相線B、C、A連接，所述微處理電路與三只隔離SPI總線電能計量模塊通過SPI通信總線連接。附圖8為構(gòu)建三相三線制多功能電表的電原理示意圖。其中3個隔離SPI總線電能計量模塊UlI、U12、U13各自對應(yīng)測量A、B、C瞬時相電流、相電壓等電參數(shù)，并進(jìn)一步計 算電壓、電流有效值(RMS)，有功、無功和視在功率等參數(shù)。微處理電路通常包括微處理器及外圍的通訊接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路及供電電路。當(dāng)然，利用本發(fā)明的隔離SPI總線電能計量模塊和前述構(gòu)建三相四線制帶零線電流測量、三相三線制的多功能電表的方法，可以很方便地構(gòu)建單相多功能電表、二相多功能電表。本發(fā)明提供了一種計量電流、電壓、功率等電參數(shù)的模塊，以及利用這一模塊構(gòu)建的多功能電表。本發(fā)明具有以下優(yōu)點。采用了模塊化設(shè)計，并且封裝在一個絕緣本體中，高壓與低壓分開，結(jié)構(gòu)簡單，方便生產(chǎn)、測試與維修。使用電阻分流器和電阻分壓器采集相應(yīng)電流、電壓信號，對相應(yīng)電流、電壓信號的相位差不產(chǎn)生干擾，抗電磁干擾能力強(qiáng)、計量精度及可靠性高；且通過選用不同阻值的電阻分流器，可以實現(xiàn)對大電流的測量，測量范圍可高達(dá)200A以上。采用光隔離電路，具有隔離效果好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。采用SPI通信總線并設(shè)置相應(yīng)的通訊接口電路，方便數(shù)據(jù)的輸入、輸出，可以輕松地實現(xiàn)對用電的智能化管理及遠(yuǎn)程控制，如用電總量控制、分時電價、階梯電價等。


圖I已公知的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表組成框圖。圖2本發(fā)明隔離SPI總線電能計量模塊組成框圖。圖3本發(fā)明隔離SPI總線電能計量模塊電原理示意圖。圖4本發(fā)明隔離SPI總線電能計量模塊電路原理圖。圖5本發(fā)明隔離SPI總線電能計量模塊結(jié)構(gòu)外形三視圖。圖6本發(fā)明三相四線制帶零線電流測量的多功能電表組成框圖。圖7本發(fā)明三相四線制帶零線電流測量的多功能電表電路原理圖。圖8本發(fā)明三相制多功能電表組成框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來說明如何具體實例本發(fā)明。
實施例I。附圖4是具體實施隔離SPI總線電能計量模塊的一種電原理圖。根據(jù)所示電阻分流器為Rg，選用錳鎳銅合金電阻。電阻分壓器由電阻R7、R6、R5、開關(guān)SW組成，開關(guān)SW選用接線器，RE為限流電阻。芯片Ul及其周邊電路組成單相計量電路，這里芯片Ul是帶有SPI總線的電計量芯片(區(qū)別于無SPI總線的ADE7755系列芯片)，可以選用國外生產(chǎn)的ADE7753、ADE7953或國內(nèi)生產(chǎn)的BL6523、CSE77XX系列的電計量芯片或選用其他同等性能的芯片。光耦合器IC1-IC9及其周邊電路組成SPI光隔離電路，光耦合器IC1-IC9的隔離壓應(yīng)大于3500VDC。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器U2及周邊電路組成，其中RV為壓敏電阻。穩(wěn)壓電路為本模塊單獨提供直流電源，當(dāng)然也可以不單獨設(shè)穩(wěn)壓電路而使用外接的直流穩(wěn)壓電源。本實施例可以按附圖5所示外形進(jìn)行絕緣封裝。電阻分流器Rg封裝在絕緣本體外的一側(cè)，且電阻分流器是可更換的，便于調(diào)整電流計量范圍。接線器SW封裝在絕緣本體 內(nèi)，預(yù)先設(shè)置為閉合或斷開，并在絕緣本體外表作出相應(yīng)標(biāo)記。圖中，1、2為電阻分流器Rg接線端，3電壓分流器的一接線端，4-14為接線引腳。使用時，電阻分流器Rg接線端子1、2串聯(lián)在被測線路中(A、B、C相線或零線N)，電阻分流器Rg接線端子2是該電計量芯片電路中參考電位接點(即電路中相對參考的信號地Signal GND);當(dāng)電阻分流器Rg串聯(lián)在相線中，接線端子2參考電位就是測量相線的電位，相線與零線N之間有線電壓220VAC。電阻分流器Rg通過的相線電流形成電壓降，經(jīng)電阻R1-R4、電容Cl與C2、保護(hù)二極管Dl與D2鏈接到電計量芯片Ul的V1P、V1N端。特別指出的是當(dāng)電計量芯片Ul進(jìn)行測量相線中電流，接線引腳3必須連接到零線N ;當(dāng)電計量芯片Ul進(jìn)行測量零線N中電流，電路中接線器SW需要斷開，接線引腳3可以選擇一相線進(jìn)行連接；而電計量芯片Ul進(jìn)行測量相線與零線N之間的線電壓220VAC，是經(jīng)限流電阻RE、接線器SW、電阻R5-R8、電容C3與C4電路分壓，將分壓電壓鏈接到電計量芯片Ul的V2P、V2N端。當(dāng)電計量芯片Ul進(jìn)行測量相線中電流時，電計量芯片Ul是浮在相電位上工作的，并通過VIP、VlN端與V2P、V2N端，完成采集線電壓與相電流的測量。因為測量相線中電流，電計量芯片Ul是浮在相電位上工作的電路(相電位與零線N有高電壓差220VAC)，所以電計量芯片Ul的SPI接口與其它接口，不能直接與微處理電路進(jìn)行鏈接，需要通過光耦合器完成SPI通信接口及其它接口與微處理電路進(jìn)行鏈接；電計量芯片Ul復(fù)位引腳口 I與SPI通信引腳口 17-20，是通過光耦合器IC1-IC5，以及外圍電阻R11-R20、電容C14-C17與C22完成光隔離鏈接；電計量芯片Ul引腳口 11_14，是通過光耦合器IC6-IC9，以及外圍電阻R21-R26、電容C18-C21與LED完成光隔離鏈接；光耦合器IC1-IC9與微處理電路進(jìn)行鏈接的端口，在隔離SPI總線電能計量模塊中引腳4-14端口對應(yīng)連接；LED是輸出脈沖頻率工作顯示。實施例2。附圖7為本發(fā)明構(gòu)建的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表電路原理圖。其中U11、U12、U13、U14分別為A相隔離SPI總線電能計量模塊、B相隔離SPI總線電能計量模塊、C相隔離SPI總線電能計量模塊、零線N隔離SPI總線電能計量模塊。模塊采用實施例I所述的隔離SPI總線電能計量模塊。A相隔離SPI總線電能計量模塊U11、B相隔離SPI總線電能計量模塊U12、C相隔離SPI總線電能計量模塊U13、零線N隔離SPI總線電能計量模塊U14，通過各自的電阻分流器1、2接線端子，經(jīng)電線連接端子1-8，對應(yīng)串聯(lián)在三相四線電線中；A相隔離SPI總線電能計量模塊U11、B相隔離SPI總線電能計量模塊U12、C相隔離SPI總線電能計量模塊U13中接線引腳3，連接到零線N ;零線N隔離SPI總線電能計量模塊U14中接線引腳3，連接到相線B。微處理器UlO及其周邊電路組成微處理電路。微處理器UlO與隔離SPI總線電能計量模塊U11、U12、U13、U14之間用SPI通信總線連接。其中微處理器U10，可以選擇帶SPI與I2C總線接口的51系列的微處理器或ARM系列微處理器，本實施例選用51系列的微處理器。微處理器UlO中SPI接口 MIS0、M0SI、CLK對應(yīng)連接隔離SPI總線電能計量模塊Ull、U12、U13、U14中SPI接口的DIN、DOUT、SCLK ；4個并聯(lián)隔離SPI總線電能計量模塊中RESET、IRQ接口，對應(yīng)連接到微處理器UlO中I/O 口Pl. 4、Pl. 6 ;而4個各自隔離SPI總線電能計量模塊SPI接口中，片選接口 CSa、CSb、CSc,CSn，對應(yīng)連接到微處理器UlO中I/O 口 PO. 4、PO. 5、PO. 6、PO. 7 ;而A、B、C各相隔離SPI總線電能計量模塊接口中，電壓波形過零輸出接口 ZXa、ZXb、ZXc，對應(yīng)連接到微處理器UlO中 I/O 口 PO. UP2. 6、Ρ2· 7。為了實現(xiàn)用電的智能管理及遠(yuǎn)程管理，本實施例還提供了通訊接口電路及數(shù)據(jù)存儲電路。微處理器UlO的I2C總線與EEPROM存儲器、時間電路、溫度傳感器、IXD驅(qū)動顯示電路連接。微處理器UlO中UART通訊口、Ρ2. O、Ρ2. I、PO. O及Pl. 7 I/O 口與切換電路CD4066、紅外通訊電路、RS485光隔離電路、RS485驅(qū)動電路SP48連接。本實施例還包括穩(wěn)壓電路，提供穩(wěn)定的VCC=3. 6VDC與VE=5VDC電源；穩(wěn)壓電路部分包括穩(wěn)壓器U31與U32、變壓器Tl與T2、整流器D31與D32、壓敏電阻RTl與RT2、電阻R31-R36、電容C31-C311、二極管D33-D35、充電電池E所組成；其中電源VE=5VDC提供RS485隔離電路使用的電源，而C相與B相兩路的線電壓220V交流，經(jīng)C31、R31、R33、Tl初級電感與C32、R32、R34、T2初級電感，形成電容、電感、電阻串聯(lián)的復(fù)阻抗交流輸入形式。充電電池E保證本實施例即使是在停電的情況下，電表仍能保存必要的數(shù)據(jù)及與外界通訊。本發(fā)明構(gòu)建的三相四線制多功能電表電路，其元器件布局特征是隔離SPI總線電能計量模塊Ull、U12、U13、U14左方向電阻分流器1、2端子為高壓接線區(qū)，而右方向SPI總線引腳為低壓區(qū)，使得電表電路與電路板布局高壓、低壓分離、清晰合理；且每個隔離SPI總線電能計量模塊之間高壓電氣隔離，A、B、C相的相電位只在A、B、C相各個隔離SPI總線電能計量模塊內(nèi)部，提高了電表產(chǎn)品的可靠性與安全性，而且可以通過隔離SPI總線電能計量模塊的調(diào)換，解決了電表的維護(hù)性及一致性。實施例3。附圖8為本發(fā)明構(gòu)建的三相三線制多功能電表電路原理圖。其中本實施例使用三只隔離SPI總線電能計量模塊Ull、U12、U13。模塊仍采用實施例I所述的隔離SPI總線電能計量模塊。三個模塊各自的電阻分流器1、2接線端子依次串接在待測電路的三根相線A、B、C中，接線端子3則依次與三根相線B、C、A連接。本實施例的其他部分實施方法可完全按照實施例2的方法實施。
權(quán)利要求
1.一種隔離SPI總線電能計量模塊，其特征是包括電阻分流器(Rg)、電阻分壓器、單相計量電路、SPI光隔離電路等部分組成，所述電阻分流器(Rg)的兩端分別與單相計量電路信號輸入端(Vlp、Vln)連接，電阻分壓器由電阻(R7)和電阻(Rn)串接而成，電阻(R7)的一端與電阻分流器(Rg)的一端連接，并與單相計量電路的信號輸入端(V2n)連接或通過電阻(R8)與單相計量電路的信號輸入端(V2n)連接，電阻(R7)和電阻(Rn)的中間端與單相計量電路的信號輸入端(V2p)連接，單相計量電路的信號輸入、輸出端與SPI光隔離電路連接，所述SPI光隔離電路將單相計量電量的輸入、輸出信號經(jīng) 過光隔離后接入SPI總線。
2.權(quán)利要求I所述的隔離SPI總線電能計量模塊，其特征是所述電阻分流器(Rg)為錳鎳銅合金電阻。
3.權(quán)利要求I或2所述的隔離SPI總線電能計量模塊，其特征是所述電阻分壓器還包括一個開關(guān)(SW)，所述開關(guān)(SW)與電阻(Rn)串聯(lián)。
4.權(quán)利要求I或2所述的隔離SPI總線電能計量模塊，其特征是所述電阻分壓器、單相計量電路、SPI光隔離電路封裝在一絕緣本體內(nèi)，絕緣本體的一側(cè)引出三個接線端，接線端(1、2)外接電阻分流器(Rg)，接線端(3)與電阻分壓器連接，SPI光隔離電路的接口引腳安裝在絕緣本體的另一側(cè)。
5.權(quán)利要求3所述的隔離SPI總線電能計量模塊，其特征是所述電阻分壓器電阻(R7、Rn)及開關(guān)(SW)、單相計量電路、SPI光隔離電路封裝在一絕緣本體內(nèi)，絕緣本體的一側(cè)引出三個接線端，接線端(1、2)外接電阻分流器(Rg)，接線端(3)與電阻分壓器連接，SPI光隔離電路的接口引腳安裝在絕緣本體的另一側(cè)。
6.一種三相四線制帶零線電流測量的多功能電表，其特征是包括4個隔離SPI總線電能計量模塊(U11、U12、U13、U14)，SPI通信總線，微處理電路等部分組成，所述隔離SPI總線電能計量模塊為權(quán)利要求I至5之任一隔離SPI總線電能計量模塊，其中3個隔離SPI總線電能計量模塊(U11、U12、U13)的電阻分流器(Rg)分別串接在待測線路的三條相線中，電阻分壓器的一端與零線連接，另I個隔離SPI總線電能計量模塊(U14)的電阻分流器(Rg)串接在零線中，電阻分壓器的一端與任一相線連接，所述微處理電路與4個隔離SPI總線電能計量模塊通過SPI通信總線連接。
7.權(quán)利要求6所述的三相四線制帶零線電流測量的多功能電表，其特征是還包括通訊接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路。
8.—種三相三線制多功能電表，其特征是包括3個隔離SPI總線電能計量模塊(U11、U12、U13)，SPI通信總線，微處理電路等部分組成，所述隔離SPI總線電能計量模塊為權(quán)利要求I至5之任一隔離SPI總線電能計量模塊，所述3個隔離SPI總線電能計量模塊(UlI、U12、U13)的電阻分流器(Rg)依次串接在待測線路的三條相線A、B、C中，電阻分壓器的一端依次與三條相線B、C、A連接，所述微處理電路與3個隔離SPI總線電能計量模塊通過SPI通信總線連接。
9.權(quán)利要求8所述的三相三線制多功能電表，其特征是還包括通訊接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了隔離SPI總線電能計量模塊，該模塊由電阻分流器、電阻分壓器、單相計量電路、SPI光隔離電路等組成，且該模塊可以封裝在一絕緣本體內(nèi)，電阻分流器安裝在絕緣本體外，實現(xiàn)單相電參數(shù)的采集與計量。本發(fā)明還公開了由3個或4個隔離SPI總線電能計量模塊與SPI通訊總線、微處理電路組成的三相三線或三相四線制多功能電表。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計、利用電阻進(jìn)行分流或分壓及光隔離電路和SPI通信總線，具有隔離度好、抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高等優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，方便生產(chǎn)、測試與維修。
文檔編號G01R22/06GK102818929SQ20121019501
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者郭建國, 張葉紅, 胡國祥 申請人:郭建國, 張葉紅, 胡國祥