低功耗电能采集装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种低功耗电能采集装置，包括采集芯片、微处理器、显示器、存储器和电源模块；该装置还包括电压互感器、电流互感器，分别与电压互感器和电流互感器连接的第一低通滤波器和第二低通滤波器；第一低通滤波器和第二低通滤波器与采集芯片连接；微处理器分别与显示器、存储器连接，并通过SPI接口与采集芯片连接。本发明的低功耗电能采集装置，采用低功耗处理器芯片和高集成度电能采集芯片完成对民用交流电能采集，在完成电能采集功能的前提下，把自身的功耗降到最低，实现在追求低功耗运行模式下完成对交流电能的采集功能。同时本装置还设计组网功能，满足后端控制平台对该装置的电能采集与控制。
【专利说明】低功耗电能采集装置
【技术领域】
[0001]本发明属于应用电子产品【技术领域】，涉及一种是采集民用交流电电能用量的低功耗电能采集装置。
【背景技术】
[0002]目前针对民用交流电能的采集只要分为两种:机械电子式和全电子式。
[0003]机械电子式采集装置是交变电流电压通过线圈，形成交变磁场，导磁体转盘位于交变磁场中，类似形成一个电机，交变磁场使转盘转动，转动速度由场强决定，转盘转动圈数作为计量电能的单位。
[0004]图1是现有的全电子式电能采集装置的结构框图。如图1所示，全电子式电能采集装置通过电压进行电阻分压，对电流进行小电阻取样，取样得到的等比例电压和电流再进行数字化采样转换。利用专用集成电路完成电压和电流的乘积，以时间单位进行电流电压乘积的积分，依据积分值的大小以脉冲个数的形式正比例输出，最后由脉冲驱动电度计或数字显示器，完成对电能的采集。
[0005]但现有的电能采集装置功耗普遍较高，不符合现在绿色环保的要求。且现有的电能采集装置只完成电度计量功能，只适用于有电度计量需求的场合，功能单一。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种精确采集能耗以及采集装置自身功耗低的低功耗电能采集装置。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
本发明的低功耗电能采集装置，包括采集芯片、微处理器、显示器、存储器和电源模块；该装置还包括电压互感器、电流互感器，分别与电压互感器和电流互感器连接的第一低通滤波器和第二低通滤波器；第一低通滤波器和第二低通滤波器与采集芯片连接；微处理器分别与显示器、存储器连接，并通过SPI接口与采集芯片连接；微处理器采用MSP430F149芯片，微处理器在工作过程中的空闲状态进入睡眠模式，定期唤醒完成电能采集过程。
[0008]所述的采集芯片采用CS5463芯片，CS5463内部设有多个电能参数采集模块，可采集多种电能参数，包括瞬时电压、电流、功率、视在功率、有功功率、无功功率、有功基波、有功谐波、无功基波、功率因数和交流频率；CS5463芯片的工作模式为低速模式，数据读取采用中断的方式，根据需要开启采集芯片内的电能参数采集模块，关闭无需采集的电能参数采集模块。
[0009]所述的微处理器上设置有多个基于485总线的访问接口。
[0010]所述的微处理器上连接有一组地址拨码开关，通过外设拨码的方式设置密码及工作模式。
[0011]本发明具有的优点和积极效果是:
本发明的低功耗电能采集装置，采用低功耗处理器芯片和高集成度电能采集芯片完成对民用交流电能采集，在完成电能采集功能的前提下，把自身的功耗降到最低，实现在追求低功耗运行模式下完成对交流电能的采集功能。同时本装置还设计组网功能，满足后端控制平台对该装置的电能采集与控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是现有技术的全电子式电能采集装置的结构框图；
图2是本发明的低功耗电能采集装置的结构框图；
图3是本发明的低功耗电能采集装置的程序流程图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和具体实施例对本发明的低功耗电能采集装置做进一步说明。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。
[0014]图2是本发明的低功耗电能采集装置的结构框图。如图2所示，本发明的低功耗电能采集装置，包括采集芯片、微处理器、显示器、存储器和电源模块；该装置还包括电压互感器、电流互感器，分别与电压互感器和电流互感器连接的第一低通滤波器和第二低通滤波器；第一低通滤波器和第二低通滤波器与采集芯片连接；微处理器分别与显示器、存储器和继电器连接，并通过SPI接口与采集芯片连接。
[0015]在硬件电路上，微处理器采用MSP430F149芯片，MSP430F149具有7种低功耗模式，极低功耗模式下最低工作电流仅需要360nA，可以满足各种低功耗应用场合，该处理器是16位处理器，处理能力较8位处理器处理能力更加强大，有质的提升，同时该处理器内部集成硬件乘法器，能够满足较复杂算法的计算要求。传统电能采集装置只完成电度计量功能，只适用于有电度计量需求的场合，本发明除完成电度计量外，还能够对电能参数进行算法处理，依据电能参数完成例如功率因素的测量、无功功率、电压频率等的测量。
[0016]在电能采集方面，采集芯片采用CS5463芯片，CS5463内部设有多个电能参数采集模块，可采集多种电能参数，包括瞬时电压、电流、功率、视在功率、有功功率、无功功率、有功基波、有功谐波、无功基波、功率因数和交流频率；同时还具有系统校准好相位补偿等功能，采用此测量芯片，能够获得一系列电能参数。传统电能表只完成了电度的计量功能，没有对电能的其它参数进行测量和采集。
[0017]在功耗方面，本装置在设计过程中特别考虑系统的自身功耗，所用器件及器件工作模式都采用低功耗处理方式进行设计，经实际测量，本装置正常工作电流为1.55mA。
[0018]在接口方面，微处理器上设置有多个基于485总线的访问接口。为后端控制平台应用提供485接口，按照本装置通信协议，可以实时读取当前电能参数，为后台应用提供数据支持，可实现多台采集装置之间并行联网功能。
[0019]微处理器上连接有一组地址拨码开关，通过外设拨码的方式设置密码及工作模式。本装置实现在自身低功耗模式下完成电能参数的采集、存储、显示及传输。
[0020]本发明的电能采集装置的工作原理如下:
交流220V电压通过电流互感器和电压互感器等比例交流电压和电流，让后经过低通滤波处理，去掉感应得到的高频分量，送采集芯片CS5463进行采样，微处理器MSP430F149通过SPI接口完成对CS5463的操作，最后读取得到电能参数，微处理器通过分析得到的电能参数，控制断码液晶显示、本地数据存储以及数据上传等。
[0021]另外，微处理器通过串口中断的方式，接收来着后台服务器下发的控制命令，根据约定的数据协议格式进行命令解析，并根据解析得到的命令内容，完成数据提取，继电器操作等。
[0022]装置通过外设拨码的方式设置密码及工作模式，上电后初始化后，微处理器首先读取拨码设置状态，设定自身地址，后台服务器通过此地址寻址访问。装置与后台服务器之间通过485总线方式进行通信。
[0023]装置采用电池供电方式，由于装置整体设计考虑低功耗工作模式，580mAH电池在无充电条件下可连续运行I年时间。满足低功耗设计要求。
[0024]图3是本发明的低功耗电能采集装置的程序流程图。如图3所示，本装置的程序启动后，MSP430F149首先完成对自身内部时钟、串口、SPI接口、中断等的初始化，然后读取拨码的设置状态，判断当前的工作模式以及自身的设置地址。在采集模式下，微处理器完成对采集芯片CS5463的初始化，初始化成功后，读取当前芯片采集得到的电能参数，包括电压、电流、频率、功率、功率因素等，读取得到电能参数计算剩余电度，并实时存储于铁电EEPROM存储器，同时驱动断码液晶进行显示，采集过程完成。在校准模式下，MSP430F149设置CS5463进入校准模式，把相应校准参数写入到CS5463内部相应寄存器，完成对CS5463的校准，校准成功返回成功标志，校准过程一般只进行一次即可。
[0025]在正常采集过程中，串口通过中断方式接收后台服务器端发送的数据，MSP430F149根据预先约定通信协议，对数据进行接收，解析接收到的数据，判断命令，并作出相应动作。命令分为两类，一类用于控制继电器通断，一类用于提取电能参数以供后台监控使用。接收串口数据，并完成操作后，串口相应发送操作成功回复。
[0026]为实现装置低功耗要求，在硬件设计上，所有上拉电阻均采用2ΜΩ的弱上拉，使上拉漏电流在微安级；显示屏采用断码液晶，并且关闭背光，使得显示屏耗电在五十微安以下；电路稳压芯片采用高效率开关型稳压芯片LT3480，静态工作电流极低，在十微安左右；外部铁电存储IIC接口加弱上拉，采用低速模式；低通滤波器采用无源滤波器，进一步减少功耗；微处理器空闲管脚做接地处理，避免由于内部上拉导致的漏电流耗散，晶体振荡器采用 32.768KHz。
[0027]软件设计上，设备启动以后，首先完成微处理器自身主频的设置，MSP430F149处理器工作主频设置为32.768KHZ,串口波特率设置为1200bps，数据接收采用中断处理方式，液晶刷新频率降低至每秒一次，存储器操作采用内部暂存，再一次写多字节的方式进行，减少频繁对存储器的读写操作，CS5463的工作模式设置为低速模式，数据读取采用中断的方式，根据实际应用需求，开启采集芯片内的功能模块，关闭无需采集的电能参数模块。微处理器在工作过程中的空闲状态进入睡眠模式，定期唤醒完成相应操作步骤。
[0028]本发明的低功耗电能采集装置具有以下优点:
1、系统低功耗运行，正常工作是平均电流1.55mA，仅需小容量电池供电，在无充电条件下，可连续工作I年时间，减少了电能采集装置自身的能耗，达到节能环保的目的。
[0029]2、采集电能参数详细，包括瞬时电压、电流、功率、视在功率、有功功率、无功功率、有功基波、有功谐波、无功基波、功率因数、交流频率等，可为后台监控服务器提供一系列电能数据，需求扩展需求。[0030]3、提供基于485总线的访问接口，制定了访问协议格式及数据加密方式，方便后台服务器端可靠访问，实现实时地可靠稳定监控。统一的总线方式，为实现多设备间的组网提供了物理链路上的可能。
4、硬件运算功能强，微处理器自带硬件乘法器，可快速完成乘法运算，例如可快速实现电流电压对时间的微分和积分运算、FFT变换等，即:可硬件实现一些较复杂算法，扩展应用性强。
【权利要求】
1.一种低功耗电能采集装置，包括采集芯片、微处理器、显示器、存储器和电源模块；其特征在于:该装置还包括电压互感器、电流互感器，分别与电压互感器和电流互感器连接的第一低通滤波器和第二低通滤波器；第一低通滤波器和第二低通滤波器与采集芯片连接；微处理器分别与显示器、存储器连接，并通过SPI接口与采集芯片连接；微处理器采用MSP430F149芯片，微处理器在工作过程中的空闲状态进入睡眠模式，定期唤醒完成电能采集过程。
2.根据权利要求1所述的低功耗电能采集装置，其特征在于:采集芯片采用CS5463芯片，CS5463内部设有多个电能参数采集模块，可采集多种电能参数，包括瞬时电压、电流、功率、视在功率、有功功率、无功功率、有功基波、有功谐波、无功基波、功率因数和交流频率；CS5463芯片的工作模式为低速模式，数据读取采用中断的方式，根据需要开启采集芯片内的电能参数采集模块，关闭无需采集的电能参数采集模块。
3.根据权利要求2所述的低功耗电能采集装置，其特征在于:微处理器上设置有多个基于485总线的访问接口。
4.根据权利要求2所述的低功耗电能采集装置，其特征在于:微处理器上连接有一组地址拨码开关，通过外设拨码的方式设置密码及工作模式。
【文档编号】G01R23/02GK103941085SQ201410156528
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】谢家祖, 李金凤, 宋维 申请人:天津师范大学