物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電量計(jì)量芯片

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，使用電量計(jì)量芯片的原因主要可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：

1、精確測(cè)量與監(jiān)控

能耗監(jiān)控：電量計(jì)量芯片能夠精確測(cè)量電壓、電流、功率等電氣參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這對(duì)于提高能源使用效率、減少浪費(fèi)至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)分析：通過(guò)電量計(jì)量芯片收集的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行深入的能耗分析，幫助用戶了解能源使用模式，發(fā)現(xiàn)潛在的節(jié)能機(jī)會(huì)。

2、智能控制與管理

遠(yuǎn)程監(jiān)控：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電量計(jì)量芯片可以通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶虮镜胤?wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。這為用戶提供了極大的便利，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)操作即可掌握能源使用情況。

自動(dòng)化控制：基于電量計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，如根據(jù)能耗情況自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

節(jié)能減排：通過(guò)精確測(cè)量和監(jiān)控能源消耗，電量計(jì)量芯片有助于推動(dòng)節(jié)能減排政策的實(shí)施，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

環(huán)保意識(shí)提升：用戶在使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，可以直觀地看到自己的能耗情況，從而增強(qiáng)節(jié)能意識(shí)，主動(dòng)采取措施減少能源消耗。

4、技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新

高精度測(cè)量：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電量計(jì)量芯片的測(cè)量精度不斷提高，能夠更準(zhǔn)確地反映能源使用的真實(shí)情況。

多功能集成：現(xiàn)代電量計(jì)量芯片不僅具備基本的測(cè)量功能，還集成了多種輔助功能，如通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成和應(yīng)用提供了更多可能性。

5、廣泛應(yīng)用場(chǎng)景

智能家居：在智能家居中，電量計(jì)量芯片可以嵌入到各種家電設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)能耗的精確測(cè)量和監(jiān)控，提高家居生活的智能化水平。

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)中的智能電表等設(shè)備也使用了電量計(jì)量芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中能源流動(dòng)的精確監(jiān)控和管理。

工業(yè)自動(dòng)化：在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，電量計(jì)量芯片可以用于監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)設(shè)備的能耗，提高生產(chǎn)效率和能源利用率。

智能家居：隨著智能家電的發(fā)展，計(jì)量芯片可以作為最基本的“傳感器”之一，集成在各種家電中，實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量、統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)等功能。例如，在智能插座中，計(jì)量芯片可以感知家電的真實(shí)狀態(tài)，檢測(cè)當(dāng)前電壓、電流是否正常，統(tǒng)計(jì)耗電量等。

電力儀表：計(jì)量芯片可以用于制造電力儀表，如電能表、電壓表、電流表等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力消費(fèi)的計(jì)量和監(jiān)控。

能源管理系統(tǒng)：在能源管理系統(tǒng)中，計(jì)量芯片可以用于監(jiān)測(cè)和控制能源的消耗，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用和管理。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電量計(jì)量芯片的原因在于其能夠精確測(cè)量和監(jiān)控能源消耗、實(shí)現(xiàn)智能控制與管理、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展以及滿足廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的需求。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，量計(jì)量芯片的性能和功能也將不斷提升和完善。

本文會(huì)再為大家詳解電量計(jì)量器件家族中的一員——電量計(jì)量芯片。

計(jì)量芯片的定義

計(jì)量芯片是測(cè)量交流電信號(hào)的一類芯片，因最早是使用于電表產(chǎn)品，所以在行業(yè)內(nèi)也俗稱電表芯片，它可以統(tǒng)計(jì)用電負(fù)載的用電量、測(cè)量用電負(fù)載的功率大小和電流大小，以及市電的電壓。市電一般分為單相電和三相電，所以電表芯片有兩大類，一類是單相計(jì)量芯片，一類是三相計(jì)量芯片。

計(jì)量芯片的原理

計(jì)量芯片需要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，需要分別對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，以HLW8110為例，根據(jù)下圖，我們對(duì)信號(hào)采樣進(jìn)行分析。

圖1：電阻采樣方式設(shè)計(jì)參考

電壓信號(hào)采樣：

L經(jīng)過(guò)5個(gè)200K電阻和1K電阻分壓后連接到N，1K電阻兩端的電壓輸入至VP PIN，計(jì)量芯片通過(guò)測(cè)量VP的電壓，就可以采樣到L線的電信號(hào)。

電流信號(hào)采樣：

對(duì)電流信號(hào)的采樣是通過(guò)對(duì)1mR采樣電阻兩端的電平進(jìn)行采樣，因?yàn)?U = I*R，R等于1mR,U可以通過(guò)計(jì)量芯片進(jìn)行測(cè)量得到，那么也就間接采樣到I的信號(hào)。

得到電壓信號(hào)和電流信號(hào)后，根據(jù)算法，計(jì)量芯片HLW8110就可以計(jì)算出有效電壓、有效電流和有功功率等電能參數(shù)。

下圖是HLW8110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,從本質(zhì)上來(lái)，計(jì)量芯片是屬于ADC的一類，只不過(guò)我們經(jīng)常用到的ADC芯片是用來(lái)測(cè)量直流信號(hào)的，而計(jì)量芯片是用來(lái)測(cè)交流信號(hào)的。被采樣的信號(hào)是通過(guò)IAPIANVPGND引腳進(jìn)入到芯片內(nèi)部，然后通過(guò)PGA（運(yùn)放）進(jìn)入到ADC進(jìn)行采樣，而ADC模塊的1.25V的VREF是通過(guò)供電電源VDD轉(zhuǎn)化而來(lái)的，VRFF的參考地是GND。

圖2：HLW8110內(nèi)部框圖

因?yàn)樾盘?hào)采樣電路的電平是N為參考的電平信號(hào)，如圖1，電壓采樣信號(hào)的電平VP的電平是以N為參考點(diǎn)的電平信號(hào)。電流采樣的信號(hào)電平1mR采樣電阻兩端的電平是也是以N為參考點(diǎn)的電平信號(hào)。

如圖2，運(yùn)放的VREF是以GND為參考點(diǎn)的參考電壓，所以送到計(jì)量芯片的信號(hào)也必須以GND為參考，才能進(jìn)行有效的測(cè)量。

我們都知道，測(cè)量必須有一個(gè)統(tǒng)一的參考，才可能進(jìn)行有效的測(cè)量，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們需要把N和GND連接起來(lái)，形成同一個(gè)參考。

我們經(jīng)常會(huì)從安全角度考慮，因?yàn)閾?dān)心強(qiáng)電有危險(xiǎn)，在圖1的電路上，刻意不將N和GND進(jìn)行短接，如下圖,其實(shí)這是一種錯(cuò)誤的接法，沒(méi)有統(tǒng)一的參考點(diǎn)，如何能夠進(jìn)行正確的測(cè)量呢。

圖3 錯(cuò)誤的電路設(shè)計(jì)圖

互感器采樣電路

下圖是互感器的設(shè)計(jì)參考，電流和電壓的采樣信號(hào)是通過(guò)互感器變比后的信號(hào)，然后送到HLW8110進(jìn)行采樣。

圖4 互感器采樣方式設(shè)計(jì)參考

那么為什么兩份設(shè)計(jì)參考，圖一是N和GND相連，而圖四的N和GND不相連?因?yàn)榛ジ衅鞯谋粶y(cè)信號(hào)己經(jīng)不是L和N了，而是變比之后的信號(hào)，我們只要保證變后的信號(hào)和GND在同一個(gè)參考點(diǎn)就可以。

安全性

從安全性方面來(lái)講，互感器采樣方式是優(yōu)于電阻采樣方式，因?yàn)榛ジ衅鞑蓸訉?qiáng)電信號(hào)從源頭己經(jīng)開(kāi)始隔離，那么在遇到強(qiáng)電設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，我們應(yīng)該從哪幾個(gè)方面加強(qiáng)安全性，有如下方法：

1、 外殼絕緣,這是最好的方法，外殼完全絕緣，基本己經(jīng)保證產(chǎn)品的安全性。

2、 改量以N線做為參考地，在N線不能做為參考地的前得下，再使用L為參考地，因?yàn)镹對(duì)大地的壓降是0V,而L對(duì)大地的壓降是220V。

計(jì)量芯片的主要功能

計(jì)量芯片最基礎(chǔ)的功能是測(cè)量用電量、功率大小、有效電流和有效電壓，這是計(jì)量芯片最基礎(chǔ)的測(cè)量功能。還有一些計(jì)量芯片除了基礎(chǔ)的測(cè)量功能外，還可以測(cè)量功率因素、市電的線性頻率、相角、過(guò)零點(diǎn)、視在功率等參數(shù)，這類計(jì)量芯片的功能比較多。下表是列舉了合力為幾類計(jì)量芯片功能分類。

下表是不同型號(hào)的計(jì)量芯片的性能和功能差異表

計(jì)量芯片的選型參數(shù)

我們可以通過(guò)上面的順序，對(duì)產(chǎn)品相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行分解。

1、刷新速率：是指產(chǎn)品需要的電量參數(shù)數(shù)據(jù)的更新速度;

2、最小測(cè)量電流值：產(chǎn)品需要可以測(cè)量的最小的電流是多少mA?

3、最小測(cè)量功率值：產(chǎn)品需要可以測(cè)量的最小的電流是多少W?

4、準(zhǔn)確度：產(chǎn)品需要的精度偏差允許范圍是多少，比如1%以內(nèi)，2%以內(nèi)，或5%以內(nèi)?

5、電量測(cè)量范圍：產(chǎn)品可以測(cè)量電壓范圍是，比如90V到265V?

6、是否需要校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)是一個(gè)比較復(fù)雜的工序，有一些產(chǎn)品因?yàn)榫纫蟛桓撸热绮恍枰?%以內(nèi)的精度，那么可以選用免校準(zhǔn)的計(jì)量芯片。

7、通訊接口

根據(jù)MCU的資源，選用帶有UART或SPI接的量芯片。

8、線性頻率

如果對(duì)市電的線性頻率進(jìn)行測(cè)量，可以選用帶有線性頻率測(cè)量功能的計(jì)量芯片。

9、功率因素

如果對(duì)市電的線性頻率進(jìn)行測(cè)量，可以選用帶有線性頻率測(cè)量功能的計(jì)量芯片。

根據(jù)上面幾條，我們大致可以縮小選型范圍，找到合適的計(jì)量芯片。

計(jì)量芯片的廠商

電量計(jì)量芯片廠商主要包括國(guó)內(nèi)外的一些知名公司。

在國(guó)內(nèi)，主要的電量計(jì)量芯片廠商有復(fù)旦微電子、上海貝嶺、珠海炬力、深圳銳能微合力為，艾創(chuàng)微以及鉅泉光電等。這些公司在電能計(jì)量芯片領(lǐng)域擁有多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)份額，提供多種型號(hào)的電能計(jì)量芯片產(chǎn)品，包括單相和三相計(jì)量芯片，廣泛應(yīng)用于智能電表等領(lǐng)域。

在國(guó)際市場(chǎng)上，主要的電量計(jì)量芯片廠商包括ADI、TDK、Atmel、Cirrus Logic等。這些公司同樣在電能計(jì)量芯片領(lǐng)域擁有較高的技術(shù)水平和市場(chǎng)份額，其產(chǎn)品在性能和精度等方面表現(xiàn)優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的電能計(jì)量和智能電表領(lǐng)域。

供應(yīng)商A：芯海科技

https://www.chipsea.com/

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

1715854547.xlsx

（2）主推型號(hào)1：CSE7759B

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

CSE7759B 為單相多功能計(jì)量芯片，其提供高頻脈沖 CF 用于電能計(jì)量，通過(guò) UART 可以直接讀取電

流、電壓和功率的相關(guān)參數(shù)（如：系數(shù)、周期）；串口波特率為 4800 bps（±2%），8 位數(shù)據(jù)，1 位偶校

驗(yàn)，1 停止位。本芯片采用 SOP8 封裝。

主要特性功能

電量累計(jì)誤差為±2%。

電流有效值、電壓有效值、功率誤差范圍詳見(jiàn) 2.3 小節(jié)。

串口 UART 通訊協(xié)議波特率為 4800bps。

內(nèi)置電源監(jiān)控電路，當(dāng)電源電壓低到 4V 時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

內(nèi)置 2.43V 的電壓參考源。

5V 單電源供電，工作電流小于 5mA。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：需要測(cè)量電壓、電流和功率的場(chǎng)合，例如單相多功能電能表、計(jì)量插座、數(shù)顯表

等。

硬件參考設(shè)計(jì)

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

E88BED44EE8670A74B98B3773EA08C40.pdf

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審核編輯 黃宇