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)，相位精度達到1e-3度，幅值精度達到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行的必要輔助電路。復(fù)位電路是上電過程對芯片進行復(fù)位操作，能夠由任意一級的測試電路進行軟件復(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軟件對芯片的工作模式進行選擇；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，測試主機臺和上位機三個部份。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)，能夠使得下位機辨識夾具型號。測試主機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，測試主機臺和上位機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 機臺各個部件安裝位置及功能特點

測試主機臺和上位機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臺上，然后對機臺上電，通過機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)測試需要進行對比測試，即將不同廠家不同型號的芯片進行同時安裝于測試機臺中進行對比性測試，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)進行比較；技術(shù)人員可以根據(jù)測試需要進行連續(xù)測試，即對一定數(shù)量的同一型號的芯片進行連續(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。

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?；谠摍z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。