1.本发明涉及电子技术领域的一种过压过流检测单元，尤其是涉及了一种电压过压和电流过流快速检测单元。
背景技术：
2.电力为现代社会中的家庭、企业、工厂提供能量，驱动各种家用电器、机器和各类设备的正常运转。这些应用里每一种用电终端都有额定电压和额定功率，如果电压超过合理范围（即电压过压），说明供电网络出现异常，可能对用电终端带来损害，需要进行断电等处理。如果电流超过合理范围（即电流过流），则说明用电终端产生了问题，也需要进行断电等处理。
3.还有一种情况是检测火线电流和零线电流的电流差，如果电流差超过合理范围，说明产生了对地的漏电，这个漏电可能是有人触电，或者有窃电发生，同样需要及时进行断电等处理。上述一些过压或者过流的场合，都需要尽快的进行断电处理。
技术实现要素：
4.为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种电压过压和电流过流快速检测单元，有效缩短了检测时间，提高了检测效率。
5.本发明的技术方案是：包括电流模数转换模块、电压模数转换模块、过流检测模块、过压检测模块、中断管理模块；电流模数转换模块、电压模数转换模块的输入端分别接收电压信号和电流信号，电流模数转换模块、电压模数转换模块的输出端分别连接过流检测模块、过压检测模块的输入端，过流检测模块、过压检测模块的输出端连接到中断管理模块，中断管理模块再输出中断信号到芯片输出引脚，中断信号连接到外部的控制芯片，外部的控制芯片再连接到用电电器的电源端。
6.用电电器所在电路的电流信号和电压信号分别输入到电流模数转换模块、电压模数转换模块中经各自的采样和模数转换处理后输入到过流检测模块、过压检测模块中进行过流检测、过压检测；若过流检测模块、过压检测模块检测到过流、过压的情况，则将电流信号和电压信号分别识别为过流信号和过压信号，进而产生报警信号，将报警信号输入到中断管理模块，由中断管理模块输出到外部控制芯片的中断引脚，由控制芯片实施对用电电器的供电中断。
7.所述的的电流信号/电压信号为正弦波形信号。
8.所述的电流模数转换模块、电压模数转换模块均含有可编程增益放大器pga。
9.所述的电流模数转换模块、电压模数转换模块、过流检测模块、过压检测模块、中断管理模块、通讯接口均集成在同一电路中，还包括通讯接口，电路上设置通讯接口。通讯
接口分别和过流检测模块、过压检测模块连接，通过通讯接口设置过流检测模块、过压检测模块内部的参数，所述的过流检测模块、过压检测模块的输出端连接到中断控制模块，中断控制模块分别连接电流过流专用引脚int_i、电压过压专用引脚int_u和综合中断引脚int引脚，其中int_i为电流过流专用引脚，int_u为电压过压专用引脚，int为综合中断引脚。这些中断引脚均连接到外部的控制芯片。
10.所述的中断管理模块将电流通道的过流信号和电压通道的过压信号通过中断引脚送给控制芯片使用。
11.所述的电流模数转换模块/电压模数转换模块中，针对输入的电流信号/电压信号进行模拟数字转换时，按照以下公式进行处理，获得正弦波信号经模数转换模块adc转换后的峰值value：value=(v
×21/2
×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压， gain表示可编程增益放大器pga的增益，v表示输入信号的有效值大小，n表示模数转换模块adc的位数。
12.所述的过流检测模块和过压检测模块的基本相同，内部均由峰值检测部分和斜率检测部分构成；峰值检测部分和斜率检测部分将输入的信号分别进行峰值检测和斜率检测，获得是否超过预设阈值的结果，作出过压/电流的判断；所述的过流检测模块和过压检测模块内部，针对峰值检测部分和斜率检测部分的检测结果设置二选一的操作，只要峰值检测部分和斜率检测部分其中之一检测到过压/过流，则直接输出过压/过流的检测结果，实施中断。
13.峰值检测部分和斜率检测部分之间还可以连接，斜率检测部分能够接收峰值检测部分的峰值检测阈值用于自身进行斜率检测。
14.所述的峰值检测部分包含几个可设置的阈值寄存器，分别存储上阈值、下阈值和灵敏度阈值，根据上阈值、下阈值和灵敏度阈值进行判断；所述的斜率检测部分包含几个可设置的阈值寄存器，分别存储斜率阈值和灵敏度阈值，根据斜率阈值和灵敏度阈值进行判断。
15.所述的峰值检测部分中，设置上阈值thup和下阈值thdown，具体按照以下条件进行判断处理：实时将模数转换模块adc转换后输出的每个时刻的信号值同时和上阈值、下阈值进行对比，如果信号值大于上阈值或小于下阈值，均认为过压/过流，触发产生报警信号；设置到上阈值thup和下阈值thdown分别为：thup=vos+vxthdown=vos-vx其中，vx为不考虑模数转换模块adc直流偏置时的峰值检测阈值，vos是模数转换模块adc的直流偏置；若是检测电压过压，则按照以下公式设置峰值检测阈值vx：vx=(vmax
×21/2
×y×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，y表示送到检测单元的电压信号电阻分压比例， vmax表示过压检测的阈值电压，ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压， gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数；若是检测电流过流，且电流不是通过电流互感器转换为电压采样信号，则按照以
下公式设置峰值检测阈值vx： vx=(imax
×21/2
×r×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，r表示电流采样的单采样电阻值，imax表示过流的阈值电流，ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压，gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数；若是检测电流过流，且电流是通过电流互感器的采样转换为电压采样信号，则按照以下公式设置峰值检测阈值vx：vx=(imax
×21/2
×z×
rx
×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，z表示电流互感器的电流变比，rx表示电流采样的总采样电阻值，imax表示过流的阈值电流，ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压， gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数。
16.所述的斜率检测部分中，设置斜率阈值，具体按照以下条件进行判断处理：对输入的信号用当前时刻的值数据减去上一时刻的值之差的绝对值作为斜率值，并进行判断：如果斜率值超过预先设定的斜率阈值，则认为是过流/过压，触发产生报警信号；如果斜率值不超过预先设定的斜率阈值，则不认为是过流/过压，不触发产生报警信号；所述的斜率阈值thslope根据峰值检测部分里的峰值检测阈值vx设置为：thslope=vx
×2×
sin(pi/n)其中，pi表示圆周率，n表示一个正弦信号周波里的adc采样数据个数，vx表示峰值检测部分里的峰值检测阈值，sin()表示求正弦函数值。
17.所述的斜率检测部分中，具体按照以下条件进行判断处理：对输入的信号进行微分处理，对微分处理后的信号再采用和峰值检测部分相同的方式进行处理。
18.所述的峰值检测部分和斜率检测部分中均还设置灵敏度阈值m，信号中必须连续m个时刻的值或者连续m次判断均认为是过流/过压，才认为是过流/过压，才触发产生报警信号。
19.在对电表和电力检测设备的电流和电压的检测应用。
20.所述的电表为三相电表或者单相电表。
21.将本发明的单元并联在电路的每相上，能够用于控制用电电器的快速检测过压和过流，防止用电电器因过压和过流而损坏。
22.本发明在设置峰值检测的基础上还设置了斜率检测，这使得电流信号和电压信号中的检测点更加密集，增加了检测点的密集度，因而加快了检测的时间，能够在最长1/4周波的时间内检测出过压和过流的情况，实现快速检测和快速中断。
23.本发明的有益效果是：本发明通过峰值检测和斜率检测紧密结合的集成电路（芯片）的检测方式，实现对电压信号和电流信号的幅值和斜率（变化率）的监测，以便能在最长1/4周波（对于50hz的供电网，1/4周波为5毫秒）的时间内检测出过压和过流信号，并提供信号给控制芯片做相应的掉电和保护处理。
24.本发明可以作为一颗独立的芯片，也可以作为一个模块集成到一个更大的芯片，例如电量计或者主控mcu里。
附图说明
25.图1是本发明实施例的快速检测单元的逻辑结构图。
26.图2是本发明实施例采用正弦波形的电压或电流信号的波形图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
28.具体实施的电路针对待处理的信号包括电压信号和电流信号，电压信号和电流信号可能各有多路，例如三相电表里，就需要同时监测3路电压和4路电流。单相电表里，则需要监测1路电压和1路电流，或者1路电压和2路电流。
29.具体实施以1路电压和1路电流的检测电路为例进行说明，其他多路的检测方式与其相同，因此不再描述。
30.检测单元如图1所示，由1路含pga的电流模数转换模块adc、1路含pga的电压模数转换模块adc、电流模数转换模块adc对应的过流检测模块、电压模数转换模块adc对应的过压检测模块以及中断管理模块和通讯接口组成；主要由电流模数转换模块adc及其对应的过流检测模块组成了电流通道，主要由电压模数转换模块adc及其对应的过压检测模块组成了电压通道。
31.其中过流检测模块和过压检测模块基本相同，内部由峰值检测部分和斜率检测部分构成。峰值检测部分包含几个可设置的阈值寄存器：上阈值、下阈值和灵敏度阈值。斜率检测部分包含几个可设置的阈值寄存器：斜率阈值和灵敏度阈值。
32.通讯接口用于设置上述阈值，以及读取模数转换模块adc的一些转换数据和报警源等信息。
33.中断管理模块将电流通道的过流信号和电压通道的过压信号通过中断引脚送给外部的控制芯片使用。
34.以一路电压一路电流的单相电力应用的检测为例，本发明的具体实施工作过程如下：待处理的电压信号和电流信号都是物理世界的模拟信号，本检测单元里先通过模数转换模块adc将电压信号和电流信号均转换为数字信号，然后在数字信号下进行检测。
35.如图1所示，设置有两个模数转换模块adc，一个是用于对电流信号进行采样和转换的电流模数转换模块adc，电流信号通过ip/in两个引脚送入检测单元的电流模数转换模块adc；另一个是用于对电压信号进行采样和转换的电压模数转换模块adc，电压信号通过up/un两个引脚送入检测单元的电压模数转换模块adc。
36.大多数情况下，电流信号和电压信号都比较微弱，例如电流信号可能是电流流经锰铜传感器产生，信号大小在uv到mv之间变化。电压信号则一般由电阻分压产生，也在mv级别，设置模数转换模块adc里也可以内置可编程增益放大器（pga），对信号先进行放大，再进行模拟-数字转换处理。
37.电流模数转换模块/电压模数转换模块中，针对输入的电流信号/电压信号进行模
拟数字转换时，按照以下公式进行处理，获得正弦信号经模数转换模块adc转换后的峰值value：value=(v
×21/2
×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压，即基准电压，gain表示可编程增益放大器pga的增益，v表示输入信号的有效值大小，n表示模数转换模块adc的位数。
38.具体实施中，电压信号和电流信号都是正弦波，上述公式中乘以2
1/2
从有效值获得最大幅值。
39.上述公式中的2
(n-1)
为模数转换模块adc的正向满量程，而正弦波是带正负的信号，模数转换模块adc的n位数据里最高位是符号位，正向满量程为2
(n-1)
，能够解决处理正弦波是带正负的信号这一情况带来的转换问题。
40.经模数转换模块adc转换后的数字信号，送至检测模块进行检测。检测模块分为两种方式同步检测，峰值检测和斜率检测。
41.a）峰值检测部分：以图2所示的正弦波形作为例子，模数转换模块adc采样得到的电压或电流信号的波形是一个带有直流偏置的正弦波（中间横线为直流偏置值），直流偏置是模数转换模块adc自身带来的。
42.对于峰值检测电路，设计了两个检测阈值寄存器，分别为上阈值和下阈值，设置到寄存器的上阈值thup和下阈值thdown分别为：thup=vos+vxthdown=vos-vx其中，vx为不考虑模数转换模块adc直流偏置时的峰值检测阈值，vos是模数转换模块adc的直流偏置；直流偏置vos是针对模数转换模块adc转换得到的信号做了低通滤波处理提取出获得。
43.具体实施中只需用户设置阈值vx。检测单元自动获取直流偏置vos，在芯片内计算得出上阈值vos+vx和下阈值vos-vx两个阈值。
44.若是检测电压过压，则按照以下公式设置峰值检测阈值vx：vx=(vmax
×21/2
×y×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，y表示送到检测单元的电压信号电阻分压比例，为远小于1的数，vmax表示过压的阈值电压（有效值），ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压，即基准电压，gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数；若是检测电流过流，且电流不是通过电流互感器转换为电压采样信号的，则按照以下公式设置峰值检测阈值vx：vx=(imax
×21/2
×r×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，r表示电流采样的单采样电阻值，imax表示过流的阈值电流（有效值），ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压，即基准电压，gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数；若是检测电流过流，且电流是通过电流互感器转换为电压采样信号的，则按照以下公式设置峰值检测阈值vx：
vx=(imax
×21/2
×z×
rx
×
gain
×2(n-1)
)/ref其中，z表示电流互感器的电流变比，rx表示电流采样的总采样电阻值，imax表示过流的阈值电流（有效值），ref表示模数转换模块adc所用基准源的电压，即基准电压，gain表示可编程增益放大器pga的增益，n表示模数转换模块adc的位数。
45.一般情况下电流互感器的ct采样是2个采样电阻，总采样电阻rx是2个电阻之和。
46.峰值检测部分中还设置灵敏度阈值m，信号中必须连续m个时刻的值或者连续m次判断均认为是过流/过压，才认为是过流/过压，才满足触发条件，才触发产生报警信号，这样能够避免因噪声或干扰信号误触发。
47.b）斜率检测部分：对于斜率检测，可有不同的检测方式。
48.其中一种判断条件方式是：对输入的信号用当前时刻的值数据减去上一时刻的值之差的绝对值作为斜率值使用，并进行判断：如果斜率值超过预先设定的斜率阈值，则认为是过流/过压，触发产生报警信号；如果斜率值不超过预先设定的斜率阈值，则不认为是过流/过压，不触发产生报警信号；斜率已经是绝对值，斜率阈值都是正值。
49.这一斜率检测方式的斜率阈值设置，是通过峰值检测部分里的峰值检测阈值vx计算得到。
50.斜率阈值thslope根据峰值检测部分里的峰值检测阈值vx设置为：thslope=vx
×2×
sin(pi/n)另一种判断条件方式是：对输入的信号进行微分处理，对微分处理后的信号再采用和峰值检测部分相同的方式进行处理。如正弦波形的信号微分后得到余弦波形的信号，余弦波形的信号和正弦波形的信号波形相同只是相位不同，然后对余弦波形的信号采用和峰值检测部分相同的方式进行处理，保持和峰值检测同步一致，提高效率。
51.斜率检测部分中还可设置灵敏度阈值m，信号中必须连续m个时刻的值或者连续m次判断均认为是过流/过压，才认为是过流/过压，才满足触发条件，才触发产生报警信号，这样能够避免因噪声或干扰信号误触发。
52.峰值检测的检测点分别在正弦波形的最高点和最低点的位置，斜率检测的检测点分别在正弦波形的直流偏置的中心线对应的相对零点位置。
53.峰值检测和斜率检测的两种检测方式同步进行，这样检测点分别设置在正弦波形的四处位置，将完整周期的正弦波形划分为四个部分，每个部分的时间为1/4信号周期。
54.由此不论从何时开始进行检测，能够保证在1/4信号周期内检测出电压过压或电流过流信号。具体实施对于市电电力50hz的信号，1/4信号周期为5ms的时间。用于触电保护，5ms的这一时间能够保证人体不受致命危害。
55.检测模块产生报警信号后，报警信号输入到中断管理模块产生中断信号，将中断信号发送到外部连接电器的控制芯片，提醒控制芯片对电器做断电处理：如果控制芯片是独立的另一颗芯片，电压过压和电流过流信号需要通过引脚输出到控制芯片的中断脚，从而通知控制芯片。
56.电压过压和电流过流信号可通过中断管理模块输出到专用的int_u和int_i引脚，控制芯片根据对应的int_u/int_i引脚收到信号，能够精确分辨是哪一种报警信号。或者也可以通过中断管理模块整合后，通过汇总的int引脚输出，控制芯片收到int引脚的信号后，如果想知道具体是哪种报警信号，再通过通讯接口模块去读取内部寄存器获知这一信息。
57.如果控制芯片和本发明的检测单元是集成在一颗芯片上的，那上述中断信号直接在芯片内连到控制芯片模块即可。