一种新型的电能计量芯片检测仪

倪晨鸿 宋春伟 中国计量大学

一种新型的电能计量芯片检测仪

倪晨鸿 宋春伟 中国计量大学

项目来源：浙江省自然科学基金青年基金项目（LQ16E070001），浙江省“仪器科学与技术”重中之重学科开放基金（JL150512）

智能电表；计量芯片；检测设备

前言

计量芯片作为智能电表的计量部分核心［1～3］，关系着整个电表产品的质量水平，其检测工作在企业的生产流程中是非常重要的。目前国内主要采用“工装表”的形式进行抽样检测。以往工装表的抽检方法可以一定程度的解决了计量芯片的质检问题，但存在以下不足：1.工装表只能检测芯片能否正常工作，测试效果粗略；2.单一工装表只能适应某一类芯片的检测工作，测试产品单一；3.工装表需要结合校验台体进行测试，测试硬件成本高，能耗高；4.工装表测试方式的测试产能非常有限，不能满足一些大企业的检测需求；5.工装表本身的质量问题容易干扰对芯片本身的测试结果；6.工装表无法对不同的芯片进行对比性测试。针对目前的工装表的测试方式这些问题，设计一套专用的检测设备专门用于计量芯片检测的设备，弥补工装表测试手段的不足。

1.新型计量芯片测试仪

新型计量芯片测试仪通过施加电源和信号输入，模拟电表计量芯片实际工作中的具体工况，在规定的测试时间内检测芯片产品的功能是否合格，性能是否符合要求。

图1 新型芯片测试仪电子部分框图

如图1所示，以ADI公司的计量芯片ADE7858为例进行测试，首先具体分析计量芯片的测试电路构成。检测仪器从信号电路的组成分为标准信号源、 SPI数字总线和计量脉冲等几个部分。其中，标准信号源、计量脉冲和SPI数字总线是电子部分最核心部分，是检验计量芯片的电能检测精度。标准信号源是模拟计量芯片各个通道的输入信号。其波形的幅值、频率均可调，幅值调节范围为±1V。通道之间的波形相位可以任意调节，相位精度达到1e-3度，幅值精度达到0.1mV。 SPI数字总线读取芯片中各个寄存器的数据，包括电压，电流，功率和电能等参数；通过SPI数字总线准确配置芯片内寄存器的工作状态；SPI数字总线可以实时数据折算到统一的数据格式，并上传到机台中的数据采集卡。计量脉冲可以准确计算脉冲的时间间隔，精度达到0.01μs；由计量脉冲的时间间隔，绘制脉冲部分所表征的实时电能曲线和功率曲线。电源电路、复位电路和晶振电路都是芯片电路运行的必要辅助电路。复位电路是上电过程对芯片进行复位操作，能够由任意一级的测试电路进行软件复位。电源为芯片工作提供可靠的电源，保证模拟地和数字地之间的可靠隔离和模拟电源电压的漂移和波动。模式选择是使得上位机软件对芯片的工作模式进行选择；中断源检测电路是实时检测芯片的中断是否触发；基准输出能够准确检测芯片基准电压的输出，精度达到1mV。

图2 新型计量芯片测试仪主要部件

如图2所示，我们将整个设备分为多功能测试夹具，测试主机台和上位机三个部份。多功能测试夹具是针对每个芯片特别定制的测试工装，不只是包含简单的测试座，而且有一套完整的嵌入式系统，能够使得下位机辨识夹具型号。测试主机台是包含主要的测试仪器，主要包含标准信号源和多功能串行数据分析板卡，用于模拟计量芯片的输入和输出。上位机用于测试流程的编写和数据的存储分析。新型检测设备能够依靠自身的兼容性满足绝大部分计量芯片的检测，同时保证系统对不同芯片电气的兼容性，并适应未来的计量芯片的发展。其中，测试主机台和上位机可以满足任何型号的芯片测试，不需要做任何硬件更换和软件的配置。技术人员可以在同一台测试主机台中安装不同的测试夹具，用于不同芯片的对比性测试。如表1所述上述部件安装位置的设计是为了可以尽可能的减小芯片更换和升级带来的夹具成本。

2.检测操作及自动化

表1 机台各个部件安装位置及功能特点

测试主机台和上位机可以满足任何型号的芯片测试，不需要做任何硬件更换和软件的配置。技术人员可以在同一台测试主机台中安装不同的测试夹具，用于不同芯片的对比性测试。设备操作根据不同型号被测芯片选择测试夹具，并手动安装到测试机台上，然后对机台上电，通过机台上的触摸屏观察夹具有无安装正确，并校对夹具型号是否与芯片是否一致，检查完毕可以将被测试芯片放入夹具；芯片目前采用人工上料，自动检测，指示灯显示测试结果，工人按照指示灯结果筛选芯片；详细测试的结果保存在上位机连接的数据库中方便技术人员的分析；技术人员可以根据测试需要进行对比测试，即将不同厂家不同型号的芯片进行同时安装于测试机台中进行对比性测试，测试系统会按照芯片型号折算成统一的数据指标进行比较；技术人员可以根据测试需要进行连续测试，即对一定数量的同一型号的芯片进行连续测试，测试结果自动生成质检指标分布图表。芯片测试工作采用多功能芯片检测仪设备升级替代传统的工装表的方式，对于企业产品质量提高方面概括来讲有以下几个优势：1.防止芯片引起的批量产品错误；2.对比不同型号的芯片性能指标；3.对比同型号不同批次的芯片的性能指标；4.芯片测试仪所获得的历史测试结果可用于产品改进。

3.结语

新型计量芯片测试仪可以模拟芯片在电表工作环境下的各种工作状态，检测芯片的各项功能和性能指标。相比传统工装表的方式，计量芯片测试仪可以进行更加深入的测试工作，特别是在各项性能和工作时序等方面的测试是以往“工装表”检测手段没有涉及的。一台设备能够适应多种计量芯片的检测，并且设备硬件成本低，测试功耗小，维护升级方便。

［1］ 张程，何大飞.高精度智能电表系统的设计与应用［J］.电子科技，2013，（05）： 95-97.

［2］ 马一丁.新型电能计量芯片满足智能电表高精度测量需求［J］.中国电子商情，2010，（Z1）： 31.

［3］ 徐晴，周超，纪峰.计量芯片数据溢出对智能电能表计量误差的影响［J］.电测与仪表，2013，（S1）： 132-136.

宋春伟，博士，讲师，中国计量学院硕士生导师，研究方向为大功率变流器拓扑与控制。

针对现有计量芯片检测工艺中存在的检测精度低，功能单一和成本高等问题，提出了一种新型的电能计量芯片检测仪。介绍了新型检测仪电子部分的基本构成，分析了各部分的基本功能和安装分布。基于该检测设备，可以提高芯片产品检测精度和效率，且能够适应不同计量芯片的检测要求和未来产品升级要求。

倪晨鸿，中国计量学院，硕士，研究方向为变频器数字控制原理。