物联网系统中市电电量计量方案（一）

为什么要进行电量计量？

1. 节约资源：电量计量可以帮助人们控制用电量，从而达到节约资源的目的。在当前严峻的资源供应形势下，节约能源是我们应该重视的问题。
2. 合理计费：电表可以帮助公共事业单位进行合理计费，以维护公共事业的正常运营。同时，使用者也能根据自己的实际用电量来支付相应的费用。
3. 监控消耗：通过定期查看电量的使用情况，能够快速发现用电量异常的情况。及时修复故障，避免浪费资源和高额费用。
   本文将主要介绍电量计量中最重要的组成部分——电量计量芯片。
   电量计量芯片的定义
   电量计量芯片是用于测量交流电信号的一类芯片，因最早是使用于电表产品，所以在行业内也俗称电表芯片。它可以统计用电负载的用电量、测量用电负载的功率大小和电流大小，以及市电的电压。市电一般分为单相电和三相电，所以电表芯片有两大类：单相计量芯片和三相计量芯片。
   电量计量芯片的工作原理
   电量计量芯片需要对电信号进行测量，需要分别对电压和电流信号进行采样。以 HLW8110 为例，根据图 1，我们可以对信号采样进行分析。
   
   1、电压信号采样：
   L 线经过 5 个 200K 电阻和 1K 电阻分压后连接到 N，1K 电阻两端的电压输入至 VP PIN，计量芯片通过测量 VP 的电压，就可以采集到 L 线的电信号。
   2、电流信号采样：
   对电流信号的采集是通过对 1mR 采样电阻两端的电平进行采样，根据 U = I*R，R 等于 1mR，U 可以通过计量芯片进行测量得到，从而间接采样到 I 的信号。
   得到电压信号和电流信号后，计量芯片 HLW8110 根据算法，就可以计算出有效电压、有效电流和有功功率等电能参数。
   计量芯片属于 ADC 芯片的一种，其主要区别在于，常用的 ADC 芯片是用来测量直流信号的，而计量芯片是用来测量交流信号的。
   被采样的信号通过 IAP、IAN、VP、GND 引脚进入到芯片内部，然后通过 PGA（运放）进入到 ADC 进行采样。ADC 模块的 1.25V 的 VREF 是通过供电电源 VDD 转化而来的，VRFF 的参考地是 GND。
   图 2 HLW8110 内部框图
   
   因为信号采样电路的电平是以N为参考的电平信号，如图 1 所示，电压采样信号的电平VP的电平以及电流采样的信号电平（1mΩ采样电阻两端的电平）都是以N为参考点的电平信号。
   如图 2 所示，运放的VREF是以GND为参考点的参考电压，所以送到计量芯片的信号也必须以GND为参考，才能进行有效的测量。
   我们都知道，测量必须有一个统一的参考，才可能进行有效的测量，所以在设计电路时，我们需要把N和GND连接起来，形成同一个参考。
   我们经常会从安全角度考虑，因为担心强电有危险，在图 1 的电路上，刻意不将N和GND进行短接，如下图所示，其实这是一种错误的接法，没有统一的参考点，如何能够进行正确的测量呢。
   图 3 错误的电路设计图
   
   互感器采样电路
   如下图所示，互感器的设计参考中，电流和电压的采样信号是通过互感器变比后的信号，然后送到 HLW8110 进行采样。
   图 4 互感器采样方式设计参考
   
   那么为何两份设计参考中，图一的 N 和 GND 相连，而图四的 N 和 GND 却不相连呢？这是因为互感器的被测信号已经不再是 L 和 N，而是经过变比后的信号。因此，我们只需确保变比后的信号与 GND 在同一个参考点即可。
   安全性
   从安全性方面来看，互感器采样方式优于电阻采样方式。因为互感器采样可以从源头隔离强电信号。那么，在设计强电产品时，我们应该从哪几个方面加强安全性呢？以下是一些方法：
4. 外壳绝缘：这是最好的方法，外壳完全绝缘，基本己经保证产品的安全性。
5. 改量以 N 线做为参考地：在 N 线不能做为参考地的前得下，再使用 L 为参考地，因为 N 对大地的压降是 0V，而 L 对大地的压降是 220V。

电量计量芯片的主要功能
计量芯片的基本功能是测量用电量、功率大小、有效电流和有效电压。一些计量芯片除具备基本测量功能外，还能测量功率因素、市电的线性频率、相角、过零点、视在功率等参数，这类芯片功能比较丰富。下表对不同类型计量芯片的功能进行了分类：
计量芯片的性能和功能因型号而异，具体如下表所示：

电量计量芯片的选型参数
我们可以按照上述顺序来分解与产品相关的指标。

1. 刷新速率：是指产品需要的电量参数数据的更新速度。
2. 最小测量电流值：产品可以测量的最小电流是多少 mA？
3. 最小测量功率值：产品可以测量的最小功率值是多少 W？
4. 准确度：产品允许的精度偏差范围是多少，例如 1%以内、2%以内或 5%以内？
5. 电量测量范围：产品可以测量的电压范围，例如 90V 到 265V？
6. 是否需要校准：校准是一个复杂的工序。某些产品由于精度要求不高，例如不需要 1%以内的精度，则可以选择免校准的计量芯片。
7. 通讯接口：根据 MCU 的资源，选择带有 UART 或 SPI 接口的计量芯片。
8. 线性频率：如果需要测量市电的线性频率，可以选择带有线性频率测量功能的计量芯片。
9. 功率因素：如果需要测量市电的功率因素，可以选择带有功率因素测量功能的计量芯片。
   根据以上几条，我们可以大致缩小选型范围，找到合适的计量芯片。

电量计量芯片的应用场景
计量芯片的主要应用场景包括：

• 智能电网：在智能电网中，计量芯片可以实时监测电力系统的功率参数，如电流、电压、功率因数等，为智能电网的运行和管理提供支持。
• 工业自动化：在工业生产中，计量芯片可用于监测和控制电力消耗，实现电能的准确计量和分析，为企业节能降耗提供参考依据。
• 智能家居：随着智能家电的发展，计量芯片可作为基本的“传感器”之一，集成在各类家电中，实现电能的计量、统计和监测等功能。例如，在智能插座中，计量芯片可感知家电的真实状态，检测当前电压、电流是否正常，统计耗电量等。
• 电力仪表：计量芯片可用于制造电力仪表，如电能表、电压表、电流表等，实现对电力消费的计量和监控。
• 能源管理系统：在能源管理系统中，计量芯片可用于监测和控制能源的消耗，实现能源的优化利用和管理。
  总之，作为一种测量交流电信号的芯片，计量芯片应用范围极广。随着物联网和智能化的发展，其应用场景将会更加丰富和多样化。

电量计量芯片的厂商
电量计量芯片厂商主要包括国内外的一些知名公司。
国内厂商：

• 复旦微电子：在电能计量芯片领域拥有多年的研发经验和市场份额，提供多种型号的电能计量芯片产品。
• 上海贝岭：主要从事电能计量芯片的研发和生产，其产品广泛应用于智能电表等领域。
• 珠海炬力：专注于电能计量芯片的研发和生产，其产品性能和精度得到了市场的广泛认可。
• 深圳锐能微合力为：主要生产电能计量芯片，其产品广泛应用于智能电表等领域。
• 艾创微：是一家专注于集成电路设计的企业，其电能计量芯片产品具有较高的性价比。
• 钜泉光电：主要从事电能计量芯片的研发和生产，其产品广泛应用于智能电表等领域。
  国际厂商：
• ADI：是一家全球领先的模拟半导体公司，在电能计量芯片领域拥有较高的技术水平和市场份额。
• TDK：是一家日本电子元件制造商，在电能计量芯片领域拥有丰富的经验和技术实力。
• Atmel：是一家以色列半导体公司，提供高性能的电能计量芯片产品。
• Cirrus Logic：是一家美国半导体公司，在电能计量芯片领域拥有广泛的产品线和市场份额。
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