专利名称：隔离spi总线电能计量模块及多功能电表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压、电流及功率测量装置，尤其是一种多功能单相测量线电压、电流，并计算瞬时电压和电流有效值(RMS)，有功、无功和视在功率的隔离SPI总线电能计量�？椋灰约巴ü�3个或4个相互独立的隔离SPI总线电能计量�？樽槌傻娜嗳咧�、三相四线制带零线电流测量的多功能电表。
背景技术：
当前国内外已公知的三相四线制带零线电流测量的多 功能电表，主要采用单片电计量电路芯片，采集各相电流互感器CT次级电压与经电阻分压的线电压，测量瞬时线电压、相电流，并进一步计算出电压、电流的相位差，及线电压和相电流的有效值(RMS)，有功、无功和视在功率，累计电量等。特别指出的是已公知的三相四线制带零线电流测量的多功能电表，区别于单功能采集线电压、相电流，只计算电功率累计电量的电表，是对这类电表的改进。但由于已公知的多功能三相四线制带零线电流测量的电表，是采用各相电流互感器CT及单片电计量电路芯片采集各相的线电压、电流，因此需要隔离各相线之间的高电压，并防止高电压损坏单片电计量电路芯片。一般采用电流互感器CT进行电气隔离相电压，以及采用零线(N)作为单片电计量电路芯片的参考电位地线，整个电表的电路板是以零线(N)为参照电位，不带相电压(高电压)，便于电表电路板在生产过程中校表与维护。已公知的采用电流互感器CT的三相四线制带零线电流测量的多功能电表主要构建结构，参看附图I。其中四只电流互感器CT的初级分别串接在三条相线及一条零线中，电流互感器CT初级一端与零线之间还设有电阻分压电路，互感器的次级及电阻分压电路与单片电计量电路芯片联接，由单片电计量电路芯片测量各相线电流、线电压等参数，并计算出瞬时线电压和相电流有效值(RMS)，有功、无功和视在功率等参数。上述已公知的三相四线制带零线电流测量的多功能电表，采用电流互感器CT、电阻分压电路测量各相电流、线电压。该电表的这种构建结构方式，无法进行大电流(尤其是50A以上)高精度的测量；且电流互感器CT自身是一个感性负载，其输出的电压、电流信号存在一定的相位差，影响测量精度；同时由于测量电路安装在一块电路板上，存在电气隔离不可靠、抗电磁干扰能力较弱等缺陷，并且不便于测试和维修。
发明内容
本发明提供一种单相隔离SPI总线电能计量模块，该�？槭且恢职踩当咎澹咎迥诓烤哂械缂屏康缏�、光隔离SPI总线及接口电路、光隔离外接接口引脚，本体外安装电阻分流器，实现单相电参数的分流器采集与计量，简称隔离SPI总线电能计量�？�。并通过3个或4个单相隔离SPI总线电能计量�？橛胛⒋淼缏罚迪址至髌鞯缌坎杉娜嗳咧�、三相四线制带零线电流测量的多功能电表。如图2所示，本发明所述的隔离SPI总线电能计量�？橛傻缱璺至髌鱎g、电阻分压器、单相计量电路、SPI光隔离电路组成，所述电阻分流器Rg的两端分别与单相计量电路信号输入端Vlp、Vln连接，电阻分压器由电阻R7和电阻Rn串接而成，电阻R7的一端与电阻分流器Rg的一端连接，并与单相计量电路的信号输入端V2n连接或通过电阻R8与单相计量电路的信号输入端V2n连接，电阻R7和电阻Rn的中间端与单相计量电路的信号输入端V2p连接，单相计量电路的信号输入、输出端与SPI光隔离电路连接，所述SPI光隔离电路将单相计量电量的输入、输出信号经过光隔离后接入SPI总线。其中，电阻分流器Rg —般选用铜合金电阻，优选锰镍铜合金电阻。隔离SPI总线电能计量�？榈牡缭硎疽馔疾渭酵�3，其中Rg为电阻分流器，电阻R7、R6、R5组成电阻分压器、其中R6、R5串接成Rn，ICl为单相计量电路，IC2为SPI光 隔离电路。为了使隔离SPI总线电能计量�？榧饶懿饬肯嘞呱系牡缌�、电压，又能测量零线上的电流，可以在电阻分压器中增加一个开关SW，开关SW与电阻Rn串联接W。开关SW闭合时用于测量相电流、电压，开关SW断开时用于测量零线电流。为了实现隔离SPI总线电能计量�？榈哪？榛梢越缱璺盅蛊鞯缱鑂7及Rn及开关SW、单相计量电路、SPI光隔离电路集成封装在电气绝缘的绝缘本体内，形成一厚膜电路，厚膜电路的一侧引出三个接线端，接线端1、2外接电阻分流器Rg，接线端3与电阻分压器的一端连接，SPI光隔离电路及接口引脚安装在厚膜电路的另一侧，形成一个一体化的、小型化的独立�？�。其中，电阻分流器Rg的阻值可以根据待测电路的电流大小进行选择。这里，将电阻分流器Rg外接，便于选择不同阻值的电阻分流器以适用不同计量范围的要求，尤其满足大电流的测量。开关SW可以封装在电气绝缘本体内，也可以安装在电气绝缘本体外。绝缘本体内的电子元器件可以按取样电路(电阻分流器、电阻分压器)、单相计量电量、光隔离电路依次排列，实现高压与低压的分享。封装在电气绝缘本体时，应当事先将开关SW设置为闭合或断开。隔离SPI总线电能计量�？榈耐庑稳油疾渭酵�5。使用时，隔离SPI总线电能计量�？榧瓤捎糜诩屏肯嘞叩牡绮问�(电压、电流、功率等参数)，也可以用于计量零线的电流。计量相线的电参数时，电阻分流器Rg串接在待测线路的相线中，待测电路的零线N与电阻分压器的一端连接，开关SW设置为闭合。计量零线电流时，电阻分流器Rg串接在待测线路的零线中，开关SW设置为断开。本发明还提供一种三相四线制带零线电流测量的多功能电表。该三相四线制带零线电流测量的多功能电表，由四只前述的隔离SPI总线电能计量�？椋琒PI通信总线，微处理电路组成，其中三只隔离SPI总线电能计量�？閁11、U12、U13的电阻分流器Rg分别串接在待测线路的三条相线中，电阻分压器的电阻Rn的一端与零线连接，另一只隔离SPI总线电能计量模块U14的电阻分流器Rg串接在零线中，电阻分压器的一端与任一相线连接，所述微处理电路与四只隔离SPI总线电能计量�？橥ü齋PI通信总线连接。附图6为三相四线制带零线电流测量的多功能电表的电原理示意图。供电变压器为三相四线制，A、B、C相与零线N都有各自独立的隔离SPI总线电能计量模块，并通过SPI通信总线与微处理电路相连接，构建成三相四线制带零线电流测量的多功能电表。其中3个隔离SPI总线电能计量�？閁11、U12、U13各自对应测量A、B、C相的瞬时线电流、线电压等电参数，并进一步计算电压、电流有效值(RMS)，有功、无功和视在功率等参数，另一个隔离SPI总线电能计量�？閁14测量零线上的电流。微处理电路通常包括微处理器及外围的通讯接口电路、数据存储电路及供电电路。本发明还提供一种三相三线制多功能电表。该三相三线制多功能电表，由三只前述的隔离SPI总线电能计量�？椋琒PI通信总线，微处理电路组成，所述三只隔离SPI总线电能计量�？閁ll、U12、U13的电阻分流器Rg依次串接在待测线路的三条相线A、B、C中，电阻分压器的一端依次与三条相线B、C、A连接，所述微处理电路与三只隔离SPI总线电能计量模块通过SPI通信总线连接。附图8为构建三相三线制多功能电表的电原理示意图。其中3个隔离SPI总线电能计量�？閁lI、U12、U13各自对应测量A、B、C瞬时相电流、相电压等电参数，并进一步计 算电压、电流有效值(RMS)，有功、无功和视在功率等参数。微处理电路通常包括微处理器及外围的通讯接口电路、数据存储电路及供电电路。当然，利用本发明的隔离SPI总线电能计量�？楹颓笆龉菇ㄈ嗨南咧拼阆叩缌鞑饬�、三相三线制的多功能电表的方法，可以很方便地构建单相多功能电表、二相多功能电表。本发明提供了一种计量电流、电压、功率等电参数的�？椋约袄谜庖荒？楣菇ǖ亩喙δ艿绫�。本发明具有以下优点。采用了�？榛杓疲⑶曳庾霸谝桓鼍当咎逯校哐褂氲脱狗挚峁辜虻ィ奖闵�、测试与维修。使用电阻分流器和电阻分压器采集相应电流、电压信号，对相应电流、电压信号的相位差不产生干扰，抗电磁干扰能力强、计量精度及可靠性高；且通过选用不同阻值的电阻分流器，可以实现对大电流的测量，测量范围可高达200A以上。采用光隔离电路，具有隔离效果好，抗干扰能力强等优点。采用SPI通信总线并设置相应的通讯接口电路，方便数据的输入、输出，可以轻松地实现对用电的智能化管理及远程控制，如用电总量控制、分时电价、阶梯电价等。
图I已公知的三相四线制带零线电流测量的多功能电表组成框图。图2本发明隔离SPI总线电能计量�？樽槌煽蛲肌Ｍ�3本发明隔离SPI总线电能计量�？榈缭硎疽馔�。图4本发明隔离SPI总线电能计量模块电路原理图。图5本发明隔离SPI总线电能计量�？榻峁雇庑稳油�。图6本发明三相四线制带零线电流测量的多功能电表组成框图。图7本发明三相四线制带零线电流测量的多功能电表电路原理图。图8本发明三相制多功能电表组成框图。
具体实施例方式下面结合附图来说明如何具体实例本发明。
实施例I。附图4是具体实施隔离SPI总线电能计量�？榈囊恢值缭硗�。根据所示电阻分流器为Rg，选用锰镍铜合金电阻。电阻分压器由电阻R7、R6、R5、开关SW组成，开关SW选用接线器，RE为限流电阻。芯片Ul及其周边电路组成单相计量电路，这里芯片Ul是带有SPI总线的电计量芯片(区别于无SPI总线的ADE7755系列芯片)，可以选用国外生产的ADE7753、ADE7953或国内生产的BL6523、CSE77XX系列的电计量芯片或选用其他同等性能的芯片。光耦合器IC1-IC9及其周边电路组成SPI光隔离电路，光耦合器IC1-IC9的隔离压应大于3500VDC。稳压电路由三端稳压器U2及周边电路组成，其中RV为压敏电阻。稳压电路为本�？榈ザ捞峁┲绷鞯缭矗比灰部梢圆坏ザ郎栉妊沟缏范褂猛饨拥闹绷魑妊沟缭�。本实施例可以按附图5所示外形进行绝缘封装。电阻分流器Rg封装在绝缘本体外的一侧，且电阻分流器是可更换的，便于调整电流计量范围。接线器SW封装在绝缘本体 内，预先设置为闭合或断开，并在绝缘本体外表作出相应标记。图中，1、2为电阻分流器Rg接线端，3电压分流器的一接线端，4-14为接线引脚。使用时，电阻分流器Rg接线端子1、2串联在被测线路中(A、B、C相线或零线N)，电阻分流器Rg接线端子2是该电计量芯片电路中参考电位接点(即电路中相对参考的信号地Signal GND);当电阻分流器Rg串联在相线中，接线端子2参考电位就是测量相线的电位，相线与零线N之间有线电压220VAC。电阻分流器Rg通过的相线电流形成电压降，经电阻R1-R4、电容Cl与C2、保护二极管Dl与D2链接到电计量芯片Ul的V1P、V1N端。特别指出的是当电计量芯片Ul进行测量相线中电流，接线引脚3必须连接到零线N ;当电计量芯片Ul进行测量零线N中电流，电路中接线器SW需要断开，接线引脚3可以选择一相线进行连接；而电计量芯片Ul进行测量相线与零线N之间的线电压220VAC，是经限流电阻RE、接线器SW、电阻R5-R8、电容C3与C4电路分压，将分压电压链接到电计量芯片Ul的V2P、V2N端。当电计量芯片Ul进行测量相线中电流时，电计量芯片Ul是浮在相电位上工作的，并通过VIP、VlN端与V2P、V2N端，完成采集线电压与相电流的测量。因为测量相线中电流，电计量芯片Ul是浮在相电位上工作的电路(相电位与零线N有高电压差220VAC)，所以电计量芯片Ul的SPI接口与其它接口，不能直接与微处理电路进行链接，需要通过光耦合器完成SPI通信接口及其它接口与微处理电路进行链接；电计量芯片Ul复位引脚口 I与SPI通信引脚口 17-20，是通过光耦合器IC1-IC5，以及外围电阻R11-R20、电容C14-C17与C22完成光隔离链接；电计量芯片Ul引脚口 11_14，是通过光耦合器IC6-IC9，以及外围电阻R21-R26、电容C18-C21与LED完成光隔离链接；光耦合器IC1-IC9与微处理电路进行链接的端口，在隔离SPI总线电能计量�？橹幸�4-14端口对应连接；LED是输出脉冲频率工作显示。实施例2。附图7为本发明构建的三相四线制带零线电流测量的多功能电表电路原理图。其中U11、U12、U13、U14分别为A相隔离SPI总线电能计量�？椤相隔离SPI总线电能计量�？�、C相隔离SPI总线电能计量�？�、零线N隔离SPI总线电能计量模块。�？椴捎檬凳├齀所述的隔离SPI总线电能计量�？�。A相隔离SPI总线电能计量�？閁11、B相隔离SPI总线电能计量�？閁12、C相隔离SPI总线电能计量�？閁13、零线N隔离SPI总线电能计量�？閁14，通过各自的电阻分流器1、2接线端子，经电线连接端子1-8，对应串联在三相四线电线中；A相隔离SPI总线电能计量�？閁11、B相隔离SPI总线电能计量模块U12、C相隔离SPI总线电能计量�？閁13中接线引脚3，连接到零线N ;零线N隔离SPI总线电能计量�？閁14中接线引脚3，连接到相线B。微处理器UlO及其周边电路组成微处理电路。微处理器UlO与隔离SPI总线电能计量�？閁11、U12、U13、U14之间用SPI通信总线连接。其中微处理器U10，可以选择带SPI与I2C总线接口的51系列的微处理器或ARM系列微处理器，本实施例选用51系列的微处理器。微处理器UlO中SPI接口 MIS0、M0SI、CLK对应连接隔离SPI总线电能计量模块Ull、U12、U13、U14中SPI接口的DIN、DOUT、SCLK ；4个并联隔离SPI总线电能计量�？橹蠷ESET、IRQ接口，对应连接到微处理器UlO中I/O 口Pl. 4、Pl. 6 ;而4个各自隔离SPI总线电能计量�？镾PI接口中，片选接口 CSa、CSb、CSc,CSn，对应连接到微处理器UlO中I/O 口 PO. 4、PO. 5、PO. 6、PO. 7 ;而A、B、C各相隔离SPI总线电能计量模块接口中，电压波形过零输出接口 ZXa、ZXb、ZXc，对应连接到微处理器UlO中 I/O 口 PO. UP2. 6、Ρ2· 7。为了实现用电的智能管理及远程管理，本实施例还提供了通讯接口电路及数据存储电路。微处理器UlO的I2C总线与EEPROM存储器、时间电路、温度传感器、IXD驱动显示电路连接。微处理器UlO中UART通讯口、Ρ2. O、Ρ2. I、PO. O及Pl. 7 I/O 口与切换电路CD4066、红外通讯电路、RS485光隔离电路、RS485驱动电路SP48连接。本实施例还包括稳压电路，提供稳定的VCC=3. 6VDC与VE=5VDC电源；稳压电路部分包括稳压器U31与U32、变压器Tl与T2、整流器D31与D32、压敏电阻RTl与RT2、电阻R31-R36、电容C31-C311、二极管D33-D35、充电电池E所组成；其中电源VE=5VDC提供RS485隔离电路使用的电源，而C相与B相两路的线电压220V交流，经C31、R31、R33、Tl初级电感与C32、R32、R34、T2初级电感，形成电容、电感、电阻串联的复阻抗交流输入形式。充电电池E保证本实施例即使是在停电的情况下，电表仍能保存必要的数据及与外界通讯。本发明构建的三相四线制多功能电表电路，其元器件布局特征是隔离SPI总线电能计量�？閁ll、U12、U13、U14左方向电阻分流器1、2端子为高压接线区，而右方向SPI总线引脚为低压区，使得电表电路与电路板布局高压、低压分离、清晰合理；且每个隔离SPI总线电能计量�？橹涓哐沟缙衾耄珹、B、C相的相电位只在A、B、C相各个隔离SPI总线电能计量�？槟诓浚岣吡说绫聿返目煽啃杂氚踩裕铱梢酝ü衾隨PI总线电能计量模块的调换，解决了电表的维护性及一致性。实施例3。附图8为本发明构建的三相三线制多功能电表电路原理图。其中本实施例使用三只隔离SPI总线电能计量�？閁ll、U12、U13。�？槿圆捎檬凳├齀所述的隔离SPI总线电能计量�？�。三个�？楦髯缘牡缱璺至髌�1、2接线端子依次串接在待测电路的三根相线A、B、C中，接线端子3则依次与三根相线B、C、A连接。本实施例的其他部分实施方法可完全按照实施例2的方法实施。
权利要求
1.一种隔离SPI总线电能计量�？椋涮卣魇前ǖ缱璺至髌�(Rg)、电阻分压器、单相计量电路、SPI光隔离电路等部分组成，所述电阻分流器(Rg)的两端分别与单相计量电路信号输入端(Vlp、Vln)连接，电阻分压器由电阻(R7)和电阻(Rn)串接而成，电阻(R7)的一端与电阻分流器(Rg)的一端连接，并与单相计量电路的信号输入端(V2n)连接或通过电阻(R8)与单相计量电路的信号输入端(V2n)连接，电阻(R7)和电阻(Rn)的中间端与单相计量电路的信号输入端(V2p)连接，单相计量电路的信号输入、输出端与SPI光隔离电路连接，所述SPI光隔离电路将单相计量电量的输入、输出信号经 过光隔离后接入SPI总线。
2.权利要求I所述的隔离SPI总线电能计量�？椋涮卣魇撬龅缱璺至髌�(Rg)为锰镍铜合金电阻。
3.权利要求I或2所述的隔离SPI总线电能计量�？椋涮卣魇撬龅缱璺盅蛊骰拱ㄒ桓隹�(SW)，所述开关(SW)与电阻(Rn)串联。
4.权利要求I或2所述的隔离SPI总线电能计量�？椋涮卣魇撬龅缱璺盅蛊�、单相计量电路、SPI光隔离电路封装在一绝缘本体内，绝缘本体的一侧引出三个接线端，接线端(1、2)外接电阻分流器(Rg)，接线端(3)与电阻分压器连接，SPI光隔离电路的接口引脚安装在绝缘本体的另一侧。
5.权利要求3所述的隔离SPI总线电能计量�？椋涮卣魇撬龅缱璺盅蛊鞯缱�(R7、Rn)及开关(SW)、单相计量电路、SPI光隔离电路封装在一绝缘本体内，绝缘本体的一侧引出三个接线端，接线端(1、2)外接电阻分流器(Rg)，接线端(3)与电阻分压器连接，SPI光隔离电路的接口引脚安装在绝缘本体的另一侧。
6.一种三相四线制带零线电流测量的多功能电表，其特征是包括4个隔离SPI总线电能计量�？�(U11、U12、U13、U14)，SPI通信总线，微处理电路等部分组成，所述隔离SPI总线电能计量�？槲ɡ驣至5之任一隔离SPI总线电能计量模块，其中3个隔离SPI总线电能计量�？�(U11、U12、U13)的电阻分流器(Rg)分别串接在待测线路的三条相线中，电阻分压器的一端与零线连接，另I个隔离SPI总线电能计量�？�(U14)的电阻分流器(Rg)串接在零线中，电阻分压器的一端与任一相线连接，所述微处理电路与4个隔离SPI总线电能计量�？橥ü齋PI通信总线连接。
7.权利要求6所述的三相四线制带零线电流测量的多功能电表，其特征是还包括通讯接口电路、数据存储电路。
8.—种三相三线制多功能电表，其特征是包括3个隔离SPI总线电能计量�？�(U11、U12、U13)，SPI通信总线，微处理电路等部分组成，所述隔离SPI总线电能计量�？槲ɡ驣至5之任一隔离SPI总线电能计量�？椋�3个隔离SPI总线电能计量�？�(UlI、U12、U13)的电阻分流器(Rg)依次串接在待测线路的三条相线A、B、C中，电阻分压器的一端依次与三条相线B、C、A连接，所述微处理电路与3个隔离SPI总线电能计量�？橥ü齋PI通信总线连接。
9.权利要求8所述的三相三线制多功能电表，其特征是还包括通讯接口电路、数据存储电路。
全文摘要
本发明公开了隔离SPI总线电能计量�？椋媚？橛傻缱璺至髌�、电阻分压器、单相计量电路、SPI光隔离电路等组成，且该�？榭梢苑庾霸谝痪当咎迥冢缱璺至髌靼沧霸诰当咎逋猓迪值ハ嗟绮问牟杉爰屏�。本发明还公开了由3个或4个隔离SPI总线电能计量�？橛隨PI通讯总线、微处理电路组成的三相三线或三相四线制多功能电表。本发明采用模块化设计、利用电阻进行分流或分压及光隔离电路和SPI通信总线，具有隔离度好、抗干扰能力强，测量精度高等优点，且结构简单，方便生产、测试与维修。
文档编号G01R22/06GK102818929SQ20121019501
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者郭建国, 张叶红, 胡国祥 申请人:郭建国, 张叶红, 胡国祥
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