電量計量模塊的工作本質是“信號采集→信號處理→參數計算→數據輸出”的閉環流程,通過各功能單元的協同,將電網中高電壓、大電流的“強電信號”轉化為可讀取、可分析的“弱電數據”(如電能、功率等)。其完整工作過程可分為5個核心步驟,各步驟環環相扣,最終實現精準計量,具體如下:
步驟1:強電信號采集與降壓/降流(信號預處理)
電網中的電壓(如220V/380V)、電流(如10A/50A)屬于強電信號,無法直接被計量芯片(弱電器件,耐壓/耐流能力極低)處理,需先通過“信號采集單元”將其轉換為低幅值、低功率的弱電信號,避免損壞芯片并滿足后續處理需求。
此步驟的核心是“隔離與縮放”,具體通過兩類核心組件實現:
電壓信號處理:
采用電壓互感器(VT)或高精度分壓電阻網絡,將電網高壓(如220V)按固定比例“降壓”為計量芯片適配的低壓信號(通常為0~2.5V或0~5V的交流弱電)。例如:220V電壓經分壓后,輸出1.2V的低壓信號,分壓比例由電阻阻值或互感器變比決定(如220V:1.2V≈183:1)。
電流信號處理:
采用電流互感器(CT)或分流器(高精度電阻),將電網大電流(如10A)按比例“降流”或轉換為低壓信號(通常為0~50mA電流或0~100mV電壓)。例如:10A電流經CT轉換后,輸出50mA的小電流,變比為10A:50mA=200:1;或經分流器轉換為50mV的電壓信號(依據歐姆定律U=IR,分流器電阻通常為5mΩ,10A×5mΩ=50mV)。
關鍵作用:實現強電與弱電的物理隔離(保障芯片安全),同時將信號“縮放”到計量芯片的輸入量程內。
步驟2:模擬信號轉數字信號(AD轉換)
經第一步處理后的電壓、電流信號仍為模擬信號(幅值隨時間連續變化,如正弦波),而計量芯片的核心算法需基于數字信號(離散的二進制數據)計算,因此需通過計量芯片內置的AD轉換器(模擬-數字轉換器)完成信號轉換。
此步驟的核心是“高精度采樣”,具體過程:
采樣:AD轉換器按固定頻率(通常為幾十kHz到幾百kHz,如32kHz、64kHz)對模擬信號進行“離散采樣”,即每隔固定時間(如31.25μs,對應32kHz采樣率)讀取一次模擬信號的瞬時幅值;
量化:將采樣得到的瞬時幅值(連續值)轉換為芯片可識別的二進制數字(離散值),例如:0~2.5V的模擬信號對應8位二進制的0~255,1.25V模擬信號量化后為128(二進制10000000);
抗干擾優化:模塊會在AD轉換前增加“低通濾波器”,濾除電網中的高頻干擾信號(如變頻器、LED產生的諧波),確保采樣信號的穩定性。
關鍵指標:AD轉換的“位數”(如16位、24位)和“采樣率”直接影響計量精度——位數越高,量化誤差越小;采樣率越高,越能還原模擬信號的波形細節(尤其對非正弦波的復雜負載,如電焊機、充電樁)。
步驟3:數據校驗與存儲(確保數據可靠)
計算得到的電參數(如功率)和累計電能(如123.45kWh)需經過“校驗”和“存儲”,避免數據錯誤或丟失,尤其要應對“斷電”場景(如電網停電)。此步驟由模塊的數據處理與存儲單元完成,具體包括:
數據校驗:
邏輯校驗:判斷計算結果是否在合理范圍(如電壓是否在85~265V的民用寬電壓范圍內,電流是否超過模塊量程),若超出范圍則標記為“異常數據”,并觸發報錯(部分模塊支持引腳電平報警);
冗余校驗:部分模塊會采用“CRC校驗”(循環冗余校驗),對計算數據添加校驗碼,確保數據在后續傳輸或存儲中未被篡改。
數據存儲:
電量計量模塊實時參數緩存:電壓、電流、功率等實時變化的參數,暫存于芯片的“隨機存儲器(RAM)”中,便于快速讀取;
累計電能固化:累計電能是核心計量數據(直接關聯電費計算),需存儲于非易失性存儲器(EEPROM/Flash)中——即使模塊斷電,EEPROM/Flash中的數據也不會丟失(通常可保存10年以上)。為避免頻繁寫入導致存儲器壽命下降,模塊會采用“定時寫入”策略(如每1分鐘更新一次EEPROM中的累計電能),而非實時寫入。
步驟4:數據輸出(與外部系統交互)
最終的計量數據(如電壓220V、電流5A、電能123.45kWh)需傳輸給外部設備(如單片機、PLC、物聯網網關、顯示屏),供用戶查看、統計或遠程監控,此步驟由數據輸出單元完成。常見的輸出方式分為“有線輸出”和“無線輸出”兩類,具體如下:
1.有線輸出(主流方式)
脈沖輸出:
傳統的輸出方式,通過“光耦隔離”輸出脈沖信號——1個脈沖對應固定的電能值(如1脈沖=1Wh或1脈沖=0.1kWh,由模塊參數設定)。外部設備(如計數器、單片機)只需統計脈沖數量,即可計算總電能(如1000個脈沖對應1kWh),適用于傳統電表、簡單能耗統計場景。
數字接口輸出:
適用于需要讀取多參數的場景,通過標準化數字接口傳輸完整數據(電壓、電流、功率、電能等):
I2C/SPI:高速同步接口,適用于模塊與MCU近距離通信(如模塊集成在智能插座內部),傳輸效率高、布線簡單。
2.無線輸出(智能場景)
部分“智能計量模塊”會集成無線通信模塊,直接將數據傳輸到遠程平臺(如云端、手機APP),無需有線連接,適用于物聯網抄表、遠程監控場景:
低功耗廣域網(LPWAN):如LoRa、NB-IoT,覆蓋距離遠(LoRa可達幾公里)、功耗低(一節電池可工作數年),適合戶外設備(如光伏逆變器、路燈能耗監測);
短距離無線:如WiFi、藍牙,適合室內場景(如智能家居插座,通過WiFi連接家庭路由器,手機APP實時查看功耗)。