一種新型的電能計量芯片檢測儀

倪晨鴻 宋春偉 中國計量大學(xué)

一種新型的電能計量芯片檢測儀

倪晨鴻 宋春偉 中國計量大學(xué)

項目來源：浙江省自然科學(xué)基金青年基金項目（LQ16E070001），浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開放基金（JL150512）

智能電表；計量芯片；檢測設(shè)備

前言

計量芯片作為智能電表的計量部分核心［1～3］，關(guān)系著整個電表產(chǎn)品的質(zhì)量水平，其檢測工作在企業(yè)的生產(chǎn)流程中是非常重要的。目前國內(nèi)主要采用“工裝表”的形式進(jìn)行抽樣檢測。以往工裝表的抽檢方法可以一定程度的解決了計量芯片的質(zhì)檢問題，但存在以下不足：1.工裝表只能檢測芯片能否正常工作，測試效果粗略；2.單一工裝表只能適應(yīng)某一類芯片的檢測工作，測試產(chǎn)品單一；3.工裝表需要結(jié)合校驗臺體進(jìn)行測試，測試硬件成本高，能耗高；4.工裝表測試方式的測試產(chǎn)能非常有限，不能滿足一些大企業(yè)的檢測需求；5.工裝表本身的質(zhì)量問題容易干擾對芯片本身的測試結(jié)果；6.工裝表無法對不同的芯片進(jìn)行對比性測試。針對目前的工裝表的測試方式這些問題，設(shè)計一套專用的檢測設(shè)備專門用于計量芯片檢測的設(shè)備，彌補(bǔ)工裝表測試手段的不足。

1.新型計量芯片測試儀

新型計量芯片測試儀通過施加電源和信號輸入，模擬電表計量芯片實際工作中的具體工況，在規(guī)定的測試時間內(nèi)檢測芯片產(chǎn)品的功能是否合格，性能是否符合要求。

圖1 新型芯片測試儀電子部分框圖

如圖1所示，以ADI公司的計量芯片ADE7858為例進(jìn)行測試，首先具體分析計量芯片的測試電路構(gòu)成。檢測儀器從信號電路的組成分為標(biāo)準(zhǔn)信號源、 SPI數(shù)字總線和計量脈沖等幾個部分。其中，標(biāo)準(zhǔn)信號源、計量脈沖和SPI數(shù)字總線是電子部分最核心部分，是檢驗計量芯片的電能檢測精度。標(biāo)準(zhǔn)信號源是模擬計量芯片各個通道的輸入信號。其波形的幅值、頻率均可調(diào)，幅值調(diào)節(jié)范圍為±1V。通道之間的波形相位可以任意調(diào)節(jié)，相位精度達(dá)到1e-3度，幅值精度達(dá)到0.1mV。 SPI數(shù)字總線讀取芯片中各個寄存器的數(shù)據(jù)，包括電壓，電流，功率和電能等參數(shù)；通過SPI數(shù)字總線準(zhǔn)確配置芯片內(nèi)寄存器的工作狀態(tài)；SPI數(shù)字總線可以實時數(shù)據(jù)折算到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并上傳到機(jī)臺中的數(shù)據(jù)采集卡。計量脈沖可以準(zhǔn)確計算脈沖的時間間隔，精度達(dá)到0.01μs；由計量脈沖的時間間隔，繪制脈沖部分所表征的實時電能曲線和功率曲線。電源電路、復(fù)位電路和晶振電路都是芯片電路運(yùn)行的必要輔助電路。復(fù)位電路是上電過程對芯片進(jìn)行復(fù)位操作，能夠由任意一級的測試電路進(jìn)行軟件復(fù)位。電源為芯片工作提供可靠的電源，保證模擬地和數(shù)字地之間的可靠隔離和模擬電源電壓的漂移和波動。模式選擇是使得上位機(jī)軟件對芯片的工作模式進(jìn)行選擇；中斷源檢測電路是實時檢測芯片的中斷是否觸發(fā)；基準(zhǔn)輸出能夠準(zhǔn)確檢測芯片基準(zhǔn)電壓的輸出，精度達(dá)到1mV。

圖2 新型計量芯片測試儀主要部件

如圖2所示，我們將整個設(shè)備分為多功能測試夾具，測試主機(jī)臺和上位機(jī)三個部份。多功能測試夾具是針對每個芯片特別定制的測試工裝，不只是包含簡單的測試座，而且有一套完整的嵌入式系統(tǒng)，能夠使得下位機(jī)辨識夾具型號。測試主機(jī)臺是包含主要的測試儀器，主要包含標(biāo)準(zhǔn)信號源和多功能串行數(shù)據(jù)分析板卡，用于模擬計量芯片的輸入和輸出。上位機(jī)用于測試流程的編寫和數(shù)據(jù)的存儲分析。新型檢測設(shè)備能夠依靠自身的兼容性滿足絕大部分計量芯片的檢測，同時保證系統(tǒng)對不同芯片電氣的兼容性，并適應(yīng)未來的計量芯片的發(fā)展。其中，測試主機(jī)臺和上位機(jī)可以滿足任何型號的芯片測試，不需要做任何硬件更換和軟件的配置。技術(shù)人員可以在同一臺測試主機(jī)臺中安裝不同的測試夾具，用于不同芯片的對比性測試。如表1所述上述部件安裝位置的設(shè)計是為了可以盡可能的減小芯片更換和升級帶來的夾具成本。

2.檢測操作及自動化

表1 機(jī)臺各個部件安裝位置及功能特點

測試主機(jī)臺和上位機(jī)可以滿足任何型號的芯片測試，不需要做任何硬件更換和軟件的配置。技術(shù)人員可以在同一臺測試主機(jī)臺中安裝不同的測試夾具，用于不同芯片的對比性測試。設(shè)備操作根據(jù)不同型號被測芯片選擇測試夾具，并手動安裝到測試機(jī)臺上，然后對機(jī)臺上電，通過機(jī)臺上的觸摸屏觀察夾具有無安裝正確，并校對夾具型號是否與芯片是否一致，檢查完畢可以將被測試芯片放入夾具；芯片目前采用人工上料，自動檢測，指示燈顯示測試結(jié)果，工人按照指示燈結(jié)果篩選芯片；詳細(xì)測試的結(jié)果保存在上位機(jī)連接的數(shù)據(jù)庫中方便技術(shù)人員的分析；技術(shù)人員可以根據(jù)測試需要進(jìn)行對比測試，即將不同廠家不同型號的芯片進(jìn)行同時安裝于測試機(jī)臺中進(jìn)行對比性測試，測試系統(tǒng)會按照芯片型號折算成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行比較；技術(shù)人員可以根據(jù)測試需要進(jìn)行連續(xù)測試，即對一定數(shù)量的同一型號的芯片進(jìn)行連續(xù)測試，測試結(jié)果自動生成質(zhì)檢指標(biāo)分布圖表。芯片測試工作采用多功能芯片檢測儀設(shè)備升級替代傳統(tǒng)的工裝表的方式，對于企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提高方面概括來講有以下幾個優(yōu)勢：1.防止芯片引起的批量產(chǎn)品錯誤；2.對比不同型號的芯片性能指標(biāo)；3.對比同型號不同批次的芯片的性能指標(biāo)；4.芯片測試儀所獲得的歷史測試結(jié)果可用于產(chǎn)品改進(jìn)。

3.結(jié)語

新型計量芯片測試儀可以模擬芯片在電表工作環(huán)境下的各種工作狀態(tài)，檢測芯片的各項功能和性能指標(biāo)。相比傳統(tǒng)工裝表的方式，計量芯片測試儀可以進(jìn)行更加深入的測試工作，特別是在各項性能和工作時序等方面的測試是以往“工裝表”檢測手段沒有涉及的。一臺設(shè)備能夠適應(yīng)多種計量芯片的檢測，并且設(shè)備硬件成本低，測試功耗小，維護(hù)升級方便。

［1］ 張程，何大飛.高精度智能電表系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.電子科技，2013，（05）： 95-97.

［2］ 馬一丁.新型電能計量芯片滿足智能電表高精度測量需求［J］.中國電子商情，2010，（Z1）： 31.

［3］ 徐晴，周超，紀(jì)峰.計量芯片數(shù)據(jù)溢出對智能電能表計量誤差的影響［J］.電測與儀表，2013，（S1）： 132-136.

宋春偉，博士，講師，中國計量學(xué)院碩士生導(dǎo)師，研究方向為大功率變流器拓?fù)渑c控制。

針對現(xiàn)有計量芯片檢測工藝中存在的檢測精度低，功能單一和成本高等問題，提出了一種新型的電能計量芯片檢測儀。介紹了新型檢測儀電子部分的基本構(gòu)成，分析了各部分的基本功能和安裝分布。基于該檢測設(shè)備，可以提高芯片產(chǎn)品檢測精度和效率，且能夠適應(yīng)不同計量芯片的檢測要求和未來產(chǎn)品升級要求。

倪晨鴻，中國計量學(xué)院，碩士，研究方向為變頻器數(shù)字控制原理。