计量芯片应用心得之软件篇

本文内容是我从对电表芯片应用中，积累的一些经验，以便于工程师朋友可以对计量芯片有更多的了解，在应用过程中能够有一些帮助和收获。我们以HLW8110为例，讲一讲软件处理前需要知道的一些芯片原理，和在软件处理过程中，需要软件做的一些技巧，以帮助产品显现更好的性能。

上图计量芯片的内部结构，我们可以看出HLW8110内部是由两个主要模块组成：

1、模拟模块：包含PGA（放大器）、ADC（运放）、Vref的参考电源；

2、数字模块：包含Filter(数字滤波器)、DSP（信号处理器）、UART（通讯）。

我们可以把计量芯片等向看成是一个ADC，只是它测量的是交流信号。那么我们知道普通ADC的一个特点是：输入信号和输出的二进制转换数据(ADC的REG数据)是线性的比例关系，其实计量芯片也是如此。

电流输入信号和有效电流REG的关系

下图是电流通道的原理框图：

DataAWave:是被测电流通过采样电阻后，送入计量芯片的被测交流信号；

RmsIA:电流通道有效值寄值器，是被测电流信号的二进制转化值，它反应的是电流信号的大小。

那么，计量芯片的电流输入信号V和有效电流REG有以下的线性关系:

电流输入信号V = RmsIA* K + b ，K是一个系数, b是offset,一般假定为0。

在HLW8110的REG列表中，我们还会看到与电流相关的REG，比如

RmsIAOS: 电流通道A 有效值Offset 补偿

InstanIA:电流通道A瞬时值

这两个REG都是辅助RmsIA REG的，目的是为了做数据修正使用，如果对于精度要求非常高，比如0.5%以内，这两个REG在校表过的过种中会用到，最典型的应用是国网电表产品。对一般性测量，比如充电桩、WIFI插座等，不需要使用。我们看电表芯片的手册，经常会看到很长的REG列表，其实大多数是辅助REG，是为了校准精度和线性使用，是为了电流(电压/功率)有效值RmsREG服务的。

校准和免校准

校表一般是指电能计量表的产品校准，通过对整机进行offset校正，增益校正等，可以提高产品的精度使整机能够达到非常高的精度，并达到国家规范标准。

因为校准的流程是相对复杂的，为了满足一些客户的需求，HLW8110具有免校准功能，芯片出厂精度己经调校至1%，选取高精度的外围元器件，例如0.5%或1%精度的器件，整个产品的精度是是可以控制在2%以内。

产品都需要校准吗

那么我们应该如何判断我们的产品是否需要校准呢，首先应该根据产品的性质来看，如果是计费类项目，因为计费是受国家监管的，那么是需要校准的。如果是一般的消费类产品，则根据产品的规格定义来确定，如果产品规格要求非常高，需要1%或更高的精度，那么也是需要校准的。但如果是WIFI插座等普通消费类产品，则可以不用校准。因产品要求不同，消费类计量产品和电表的校表方法不同，由于消费类计量产品的产品规格低于电表，且不涉及计量项目，所以对消费类计量产品，如果需要校表，也可以简化校表步骤，只需要做单点校准，不用做offset校准。

有效电流的计算

在免校准的条件下，有效电流的计算公式如下：

同理，有效电压和有功功率的计算方法是类似的。

小信号的处理

我们经常会遇到一个问题，在没有接入负载的时候，会测量到一个比较小的电流，比如2mA或是5mA，那么这个数据是正常的数据吗?这个数据是正常的，因为在没有接负载的条件下，输入通道也会存在一个信号，这个就是噪声，噪声在模拟测量领域是一个比较重要的名词。在测量原理中，当被测信号非常小时，噪声信号是不能够忽略的，所以空载时测量到的就是这个噪声值，当被测信号增大时，随着信号的慢慢增大，噪声信号就会沉没在有效信号内。

因此，建议在软件处理时，可以增加一个阀值电流，比如5mA，在测量到5mA以下的电流，我们就认为这个时候实际是没有接入负载的，将有效电流值置零处理。

小结

有效电压和有功功率的处理方式和有效电流的原理和处理方法是一样的，也是通过公式直接计算。如果需要校准，则流程相对复杂些，需要使用到校准负载，如电子交流负载，通过交流负载设备给出一个标准负载，用于系统的校准，然后计算出K值，K = 负载电流/RmsIA。相比较于免校准，因为校准把整个系统的误差作为一个整体考虑进行，精度会提高不少，而免校准，没有考虑外围器件的精度，精度自然会低些。

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