一种计量芯片及其波形数据输出方法与流程

1.本发明属于电能计量技术领域，具体涉及一种计量芯片及其波形数据输出方法。


背景技术：

2.在简单单相电能计量芯片中，需要两路模数转换采样通道，分别采样电流和电压；在单相双电流电能计量芯片中，需要三路模数转换采样通道，分别采样火线电流、零线电流和电压；在三相电能计量芯片中，需要六路模数转换采样通道，分别采样各分相的电流、电压，或者增加一路数模转换采样通道用来采样中线电流，每一分相的计量按照电能计量实现结构得到分相的计量值，再加上计算合相的结构，即可。电能计量主要是将采样的电流和电压信号通过各种信号处理，有选择的得到电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量等电能计量值，以及相关的波形数据。
3.波形数据是计量芯片中的很重要的数据，用户可以通过对波形数据的监测和分析，一方面可以用于辅助分析计量芯片实际应用中出现的相关问题，另一方面也可以用于分析电压闪变、谐波分析、三相不平衡度等电能质量相关指标，实现对电能质量的监控。因此，如何将计量芯片里的波形数据输送出来，就显得尤为重要。
4.现有的波形数据输出的方法，波形数据输出节点较少，输出方式单一，无法满足越来越多的应用要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种计量芯片波形数据输出方法，以解决现有技术中的波形数据输出节点较少，输出方式单一的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种计量芯片波形数据输出方法，包括如下步骤：
7.1)对计量芯片得到的离散数字信号数据进行下采、滤波处理，输出采样率为设定频率下的下采滤波数据；
8.2)对下采滤波数据进行各种不同方式的处理，得到经过不同方式处理后的波形数据；
9.3)从不同方式处理后的波形数据中选择要输出的波形数据，并选择波形数据输出方式进行数据传输。
10.其有益效果为：对输入的数据进行模数转换后的离散数字信号数据下采滤波，使所需的波形数据不失真，保证最终输出波形数据的质量；下采滤波后的波形数据经过不同模块处理产生不同节点的波形数据，提供多种波形数据输出源头，并提供多种输出方式可供选择，根据实际需求选择需要的波形数据和合适的输出方式将波形数据输出到相应的位置，波形数据输出节点多，满足不同要求的波形数据输出。
11.进一步地，各种不同方式的处理方式包括如下处理方式中的至少两种处理方式：
12.方式1：下采滤波数据经过rc补偿滤波器处理，输出rc补偿输出数据；
13.方式2：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理，输出去直流输出数据；
14.方式3：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理、温度补偿处理，输出基波滤波器输入数据；
15.方式4：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理、温度补偿处理、基波滤波器处理，输出基波滤波器输出数据；
16.方式5：下采滤波数据经过工频同步模块处理，输出工频同步数据；
17.方式6：下采滤波数据依次经过工频同步模块处理、goertzel模块处理，输出基波实部虚部数据；
18.方式7：下采滤波数据经过rc补偿滤波器处理，得到的rc补偿输出数据平方，再经过闪变加速模块处理，输出闪变数据。
19.其有益效果为：经过不同的模块对波形数据进行处理，得到多种形式的波形数据，使波形数据选择具有多样性，提高波形数据源头的选择性。
20.进一步地，选择的输出方式为dma搬运数据输出方式，所述dma搬运数据输出方式为：将波形数据缓存到fifo，当fifo缓存到一定深度的时候，会发起dma读取请求，dma接到请求后会从固定的地址连续读取数据，将波形数据搬移到计量芯片内部的ram。
21.其有益效果为：根据实际要求选择通过dma将波形数据输出到芯片内部ram，供数据分析，不占用cpu内存，提高了数据传输方式的选择性，提高了传输效率。
22.进一步地，选择的输出方式为数据打包spi输出方式，所述数据打包spi输出方式为：使波形数据进入数据打包模块，数据打包模块自动读取波形数据并按照规定的帧格式进行组包，组包后再通过spi发送到计量芯片的外部。
23.其有益效果为：将波形数据进行组包并通过spi将波形输出到芯片外部，供数据分析，软件配置简单化，数据传输更为灵活，提高了传输效率。
24.进一步地，规定的帧格式为：首先是帧头；帧头后面是帧id；帧id后面是要打包发送的波形数据，按照设置的排列顺序为一个采样组，将波形数据按照顺序进行填充；波形数据后面是校验字；校验字后面是帧尾。
25.其有益效果为：使需要打包的波形数据按照规定格式进行打包，加快传输效率。
26.进一步地，离散数字信号数据包括三相四线的电压和电流。
27.进一步地，若dma没有及时将fifo里的数据读走导致fifo存满时，上报错误中断，产生错误中断后将dma模块复位，重新开始。
28.其有益效果为：防止dma传输数据不及时，保证后续数据传输的稳定性和正确性。
29.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计量芯片，所述计量芯片用于采用上述介绍的计量芯片波形数据输出方法进行波形输出。
附图说明
30.图1是本发明的计量芯片内部波形数据输出的流程图；
31.图2是本发明的量芯片内部单路波形数据dma搬运数据输出的流程图；
32.图3是本发明的芯片内部波形数据打包并通过spi输出的流程图；
33.图4是本发明的芯片内部波形数据帧打包的帧格式示意图。
具体实施方式
34.本发明的基本构思为：对输入的电压电流进行adc模数转换后的离散数字信号数据进行处理，产生不同节点的波形数据，并提供两种输出方式可供选择，可以根据实际需求选择需要的波形数据和合适的输出方式将波形数据输出相应的地方。
35.下面将结合附图以及方法实施例对本发明进行详细说明。
36.方法实施例：
37.本发明的一种计量芯片波形数据输出方法实施例，流程图如图1所示，具体过程如下：
38.步骤一，输出所需电压和电流的全波下采滤波数据。
39.假设三相四线电压、电流的adc模数转换后(adc模数转换位于计量芯片内部)的离散数字信号s
in
，对输入的数据进行下采、滤波处理，输出采样率为6.4khz的三相四线电压、电流的全波下采滤波数据，分别是a相全波电压信号下采滤波数据all_ua_decim、a相全波电流信号下采滤波数据all_ia_decim、b相全波电压信号下采滤波数据all_ub_decim、b相全波电流信号下采滤波数据all_ib_decim、c相全波电压信号下采滤波数据all_uc_decim、c相全波电流信号下采滤波数据all_ic_decim、n相全波电流信号下采滤波数据all_in_decim。
40.步骤二，下采滤波数据按照设定的不同方式进行不同处理，处理时通过相应的滤波电路来实现。
41.方式1：a相全波数据电压信号下采滤波数据all_ua_decim经过rc补偿滤波器处理，输出a相全波电压信号rc补偿数据all_ua_rc_comp；
42.方式2：a相全波数据电压信号下采滤波数据all_ua_decim经过rc补偿滤波器处理，再经过去直流处理，输出a相全波电压信号去直流数据all_ua_dcrm；
43.方式3：a相全波数据电压信号下采滤波数据all_ua_decim经过rc补偿滤波器处理，再经过去直流处理，再经过温度补偿处理，输出a相全波电压信号基波滤波器输入数据fund_ua_in；fund_ua_in经过基波滤波器处理，输出a相全波电压信号基波滤波器输出数据fund_ua_out。
44.方式4：相全波电压信号下采滤波数据all_ua_decim经过工频同步模块处理，输出a相全波电压信号工频同步输出数据all_ua_sync；
45.方式5：a相全波电压信号下采滤波数据all_ua_decim经过工频同步模块处理，再经过goertzel模块处理，输出a相基波电压信号实部数据fund_ua_real、虚部数据fund_ua_image。
46.方式6：a相全波电压信号rc补偿数据all_ua_rc_comp的平方，经过闪变加速模块处理，输出a相全波电压信号闪变数据all_ua_flicker。
47.步骤三，对其余六个下采滤波信号按照设定的不同方式进行不同处理具体处理过程如下：
48.1)b相全波电压信号下采滤波数据all_ub_decim经过步骤二中方式1～方式6，得到b相全波电压信号rc补偿数据all_ub_rc_comp、b相全波电压信号去直流数据all_ub_dcrm、b相全波电压信号基波滤波器输入数据fund_ub_in、b相全波电压信号基波滤波器输出数据fund_ub_out、b相全波电压信号工频同步输出数据all_ub_sync、b相基波电压信号
实部数据fund_ub_real、虚部数据fund_ub_image、b相全波电压信号闪变数据all_ub_flicker。
49.2)c相全波电压信号下采滤波数据all_uc_decim经过步骤二中方式1～方式6，得到c相全波电压信号rc补偿数据all_uc_rc_comp、c相全波电压信号去直流数据all_uc_dcrm、c相全波电压信号基波滤波器输入数据fund_uc_in、c相全波电压信号基波滤波器输出数据fund_uc_out、c相全波电压信号工频同步输出数据all_uc_sync、c相基波电压信号实部数据fund_uc_real、虚部数据fund_uc_image、c相全波电压信号闪变数据all_uc_flicker。
50.3)a相全波电流信号下采滤波数据all_ia_decim经过步骤二中方式1～方式5，得到a相全波电流信号rc补偿数据all_ia_rc_comp、a相全波电流信号去直流数据all_ia_dcrm、a相全波电流信号基波滤波器输入数据fund_ia_in、a相全波电流信号基波滤波器输出数据fund_ia_out、a相全波电流信号工频同步输出数据all_ia_sync、a相基波电流信号实部数据fund_ia_real、虚部数据fund_ia_image。
51.4)b相全波电流信号下采滤波数据all_ib_decim经过步骤二中方式1～方式5，得到b相全波电流信号rc补偿数据all_ib_rc_comp、b相全波电流信号去直流数据all_ib_dcrm、b相全波电流信号基波滤波器输入数据fund_ib_in、b相全波电流信号基波滤波器输出数据fund_ib_out、b相全波电流信号工频同步输出数据all_ib_sync、b相基波电流信号实部数据fund_ib_real、虚部数据fund_ib_image。
52.5)c相全波电流信号下采滤波数据all_ic_decim经过步骤二中方式1～方式5，得到c相全波电流信号rc补偿数据all_ic_rc_comp、c相全波电流信号去直流数据all_ic_dcrm、c相全波电流信号基波滤波器输入数据fund_ic_in、c相全波电流信号基波滤波器输出数据fund_ic_out、c相全波电流信号工频同步输出数据all_ic_sync、c相基波电流信号实部数据fund_ic_real、虚部数据fund_ic_image。
53.6)n相全波电流信号下采滤波数据all_in_decim经过步骤二中方式1～方式5，得到n相全波电流信号rc补偿数据all_in_rc_comp、n相全波电流信号去直流数据all_in_dcrm、n相全波电流信号基波滤波器输入数据fund_in_in、n相全波电流信号基波滤波器输出数据fund_in_out、n相全波电流信号工频同步输出数据all_in_sync、n相基波电流信号实部数据fund_in_real、虚部数据fund_in_image。
54.根据本实施例上述步骤总共生成以下七路波形数据，如表1所示。
55.表1
[0056][0057]
步骤四，从dma搬运数据或者数据打包spi输出两种方式中选择一种波形数据输出方式。
[0058]
1)选择dma搬运数据输出方式。
[0059]
1.1)以a路电压波形数据dma搬运为例进行说明，如图2所示，首先配置dmaburst size为8，transfer size为word，transfer num设定为需要传输的数据个数，传输方式设定为外设到memory。选择a相电压需要输出的波形数据，打开a相电压对应的dma搬运数据通道，该通道配备一个fifo，fifo深度为16。
[0060]
1.2)a相电压波形数据将进入数据搬移模块里a相电压对应的fifo进行缓存，当fifo缓存达到8时，将向a相电压对应的dma发起burst请求dma_b_req。此时，a相电压对应的dma接到burst请求，将通过总线对a相电压数据搬移通道对应的固定地址发起读请求。数据搬移模块从a相电压对应的fifo将8个数据连续输出到a相电压数据搬移通道对应的固定地址。a相电压对应的dma将读取的连续8个数据搬移到芯片内部的ram，读取完毕后，将向数据搬移模块发起清除信号dma_clr，清除a相电压对应的burst请求dma_b_req。然后a相电压对应的dma等待下次burst请求。
[0061]
1.3)重复1.2)，直到传输完设定的需要传输的数据个数。
[0062]
在本实施例中当选择dma搬运数据输出方式时，一旦向dma发起burst请求，dma需要及时将fifo里的数据读走，如果没有及时读走数据，将会导致fifo满，此时，数据搬移模块会上报错误中断dma_error。一旦产生错误中断，需要将数据搬移模块和dma模块复位，重新开始。其余六路dma搬运数据类似。
[0063]
需要指出的是，每一路dma搬运数据通道都有各自的开关，可以单独选择是否打开。
[0064]
2)选择数据打包spi输出方式。
[0065]
2.1)如图3所示，首先选择需要输出的波形数据，然后配置好spi模式，spi一次连续输出的比特数可选，有8/16/24/32四种可供选择。
[0066]
2.2)打开帧打包模块，波形数据将进入帧打包模块，帧打包模块将向spi模块发起spi_start信号，启动spi传输。spi模块将向帧打包模块发出数据请求spi_data_req。
[0067]
2.3)帧打包模块在接收到spi发过来的数据请求spi_data_req后，波形数据按照
上面所述进行组帧打包后，然后将数据spi_data依次发送给spi模块。spi模块接收到数据后，按照spi协议将数据发送到芯片外部。然后向帧打包模块发出下一个数据请求spi_data_req。
[0068]
2.4)重复2.3)，直到传输完设定的需要传输的数据个数。通过spi传送出来的数据按照设定的帧格式进行解帧，将波形数据还原出来，供数据分析。
[0069]
如图4所示，本实施例中所述具体的帧格式为：
[0070]
首先是帧头，帧头数据为4个，帧头信息head0～head3可配置。帧头后面是帧id，每完成一帧数据打包，帧id自动加一，通过读取帧id寄存器fram_id，可得到当前实时的帧id，帧打包发送的帧数可配置。帧id后面是要打包发送的波形数据，按照a相电压/b相电压/c相电压/a相电流/b相电流/c相电流/n相电流的排列顺序为一个采样组，将波形数据按照顺序进行填充，每帧的波形数据长度可配置，支持1～1024个采样组数据。波形数据后面是校验字，校验方式可选crc或是校验和，并在填充数据时硬件自动计算。校验字后面是帧尾，帧尾数据为1个，帧尾信息stopf可配置。
[0071]
需要指出的是，输入的七路波形数据，每一路都可以单独屏蔽使其不输出。
[0072]
本实施例中，计量芯片内置有多个硬件滤波电路，包括rc补偿滤波器模块、去直流模块、温度补偿模块、基波滤波器模块、工频同步模块、goertzel模块处理、闪变加速模块，实现对下采滤波数据进行各种方式的处理，从而得到丰富多样的输出波形数据。当然，具体的硬件滤波电路并不局限于这些模块，可以根据需求进行增减。
[0073]
本实施例对输入的数据进行模数转换后的离散数字信号数据下采滤波，使所需的波形数据不失真，保证最终输出波形数据的质量；下采滤波后的波形数据经过不同模块处理产生不同节点的波形数据，提供多种波形数据输出源头，并提供多种输出方式可供选择，根据实际需求选择需要的波形数据和合适的输出方式将波形数据输出到相应的位置，波形数据输出节点多，满足不同要求的波形数据输出。
[0074]
计量芯片实施例：
[0075]
本发明的一种计量芯片，对数据信号adc模数转换后的离散数字信号进行下采滤波处理，该计量芯片内置有各种各样的滤波电路，可以在对下采滤波数据进行多种方式的处理，得到所需的不同节点的波形数据，以实现本发明的方法实施例中介绍的一种计量芯片波形数据输出的方法。关于该方法的具体实施步骤已在一种计量芯片波形数据输出方法实施例中做了详细介绍，本实施例不再赘述。

技术特征：
1.一种计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对计量芯片得到的离散数字信号数据进行下采、滤波处理，输出采样率为设定频率下的下采滤波数据；2)对下采滤波数据进行各种不同方式的处理，得到经过不同方式处理后的波形数据；3)从不同方式处理后的波形数据中选择要输出的波形数据，并选择波形数据输出方式进行数据传输。2.根据权利要求1所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，各种不同方式的处理方式包括如下处理方式中的至少两种处理方式：方式1：下采滤波数据经过rc补偿滤波器处理，输出rc补偿输出数据；方式2：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理，输出去直流输出数据；方式3：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理、温度补偿处理，输出基波滤波器输入数据；方式4：下采滤波数据依次经过rc补偿滤波器处理、去直流处理、温度补偿处理、基波滤波器处理，输出基波滤波器输出数据；方式5：下采滤波数据经过工频同步模块处理，输出工频同步数据；方式6：下采滤波数据依次经过工频同步模块处理、goertzel模块处理，输出基波实部虚部数据；方式7：下采滤波数据经过rc补偿滤波器处理，进而将得到的rc补偿输出数据的平方经过闪变加速模块处理，输出闪变数据。3.根据权利要求1所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，步骤3)中选择的输出方式为dma搬运数据输出方式，所述dma搬运数据输出方式为：将波形数据缓存到fifo，当fifo缓存到一定深度的时候，会发起dma读取请求，dma接到请求后会从固定的地址连续读取数据，将波形数据搬移到计量芯片内部的ram。4.根据权利要求1所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，步骤3)中选择的输出方式为数据打包spi输出方式，所述数据打包spi输出方式为：使波形数据进入数据打包模块，数据打包模块自动读取波形数据并按照规定的帧格式进行组包，组包后再通过spi发送到计量芯片的外部。5.根据权利要求4所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，规定的帧格式为：首先是帧头；帧头后面是帧id；帧id后面是要打包发送的波形数据，按照设置的排列顺序为一个采样组，将波形数据按照顺序进行填充；波形数据后面是校验字；校验字后面是帧尾。6.根据权利要求1所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，离散数字信号数据包括三相四线的电压和电流。7.根据权利要求3所述的计量芯片波形数据输出方法，其特征在于，若dma没有及时将fifo里的数据读走导致fifo存满时，上报错误中断，产生错误中断后将dma模块复位，重新开始。8.一种计量芯片，其特征在于，所述计量芯片用于采用如权利要求1～7任一项所述的计量芯片波形数据输出方法进行波形输出。

技术总结
本发明属于电能计量技术领域，具体涉及一种计量芯片及其波形数据输出方法。该方法包括如下步骤：输入数据的ADC模数转换后的离散数字信号数据进行下采、滤波处理，输出采样率为设定频率下的下采滤波数据，全波数据信号下采滤波数据经过设定模块的处理，得到全波数据信号经过相应处理后每个节点的波形数据，选择要输出的波形数据，并选择波形数据输出方式进行数据传输，最终得到相应的波形数据，供数据分析。提供多种波形数据输出源头，并提供多种输出方式可供选择，根据实际需求选择需要的波形数据和合适的输出方式将波形数据输出到相应的位置，输出方式不再单一，波形数据输出节点多，满足不同要求的波形数据输出。满足不同要求的波形数据输出。满足不同要求的波形数据输出。


技术研发人员：陈晓杰
受保护的技术使用者：深圳智微电子科技有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12