用于电能表管理芯片验证的系统及装置
阅读说明：本技术 用于电能表管理芯片验证的系统及装置 (System and device for verifying electric energy meter management chip ) 是由 吕志宁 陈红芳 唐文魁 宁柏锋 刘威 邓巍 习伟 匡晓云 姚浩 于杨 简淦杨 于 2019-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于电能表管理芯片验证的系统及装置。所述用于电能表管理芯片验证的系统包括内置有待检验芯片程序的FPGA及与FPGA连接的FPGA子板；其中,FPGA子板包括与FPGA连接的信号处理模块,用于采集电压信号及电流信号,并将电压信号及电流信号转换为数字信号后发送至FPGA；FPGA根据待检验芯片程序及数字信号验证待检验芯片的功能是否满足设计要求。其中,通过将电能表管理芯片的运行程序放置于FPGA中,配合FPGA子板模拟电能表正常运行环境,从而对运行程序进行仿真验证,使得在设计电能表管理芯片的过程中可以反复调试,解决了在开发电能表管理芯片时无专用测试装置的技术问题,降低了开发成本。(The invention discloses a system and a device for verifying an electric energy meter management chip. The system for verifying the electric energy meter management chip comprises an FPGA (field programmable gate array) with a built-in chip program to be verified and an FPGA daughter board connected with the FPGA; the FPGA daughter board comprises a signal processing module connected with the FPGA, and is used for acquiring voltage signals and current signals, converting the voltage signals and the current signals into digital signals and then sending the digital signals to the FPGA; and the FPGA verifies whether the function of the chip to be detected meets the design requirement according to the program of the chip to be detected and the digital signal. The running program of the electric energy meter management chip is placed in the FPGA, and the FPGA daughter board is matched with the FPGA daughter board to simulate the normal running environment of the electric energy meter, so that the running program is subjected to simulation verification, the electric energy meter management chip can be repeatedly debugged in the process of designing the electric energy meter management chip, the technical problem that a special testing device is not used when the electric energy meter management chip is developed is solved, and the development cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及芯片设计验证领域，尤其涉及一种用于电能表管理芯片验证的系统及装置。
背景技术
电能表中常见的芯片有计量芯片及管理芯片，虽然一直以来国外的管理芯片在电能表中处于领先地位，但随着国际形势的变化以及技术的发展，越来越多厂商具有自主研发的能力，试图使用自主研发的电能表管理芯片取代国外进口芯片，打破国外垄断局面。而电能表管理芯片的研发周期较长，研发费用较高，为了减少流片次数，需要在芯片设计过程中对芯片反复进行验证。
目前为了验证电能表管理芯片是否满足电能表的所有需求，通常在设计电能表管理芯片时需要将实体芯片应用于真实的电能表中进行验证，当芯片不满足要求时只能重新设计，无法继续用于调试和验证，提高了设计成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于电能表管理芯片验证的系统及装置，旨在解决现有技术中在开发电能表管理芯片时无专用测试装置的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种用于电能表管理芯片验证的系统，所述用于电能表管理芯片验证的系统包括内置有待检验芯片程序的FPGA及与所述FPGA连接的FPGA子板；其中，
所述FPGA子板包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述FPGA连接，用于采集电压信号及电流信号，并将所述电压信号及所述电流信号转换为数字信号后发送至所述FPGA；
所述FPGA，用于根据所述待检验芯片程序及所述数字信号验证待检验芯片的功能是否满足设计要求。
优选地，所述信号处理模块包括电压电流采样电路、模数转换器、随机存取存储器及计量电路；所述电压电流采样电路，分别与母线及所述模数转换器连接，所述模数转换器与所述随机存取存储器连接，所述随机存取存储器与所述计量电路连接，所述计量电路与所述FPGA连接。
优选地，所述FPGA子板还包括FPGA接口，所述FPGA接口上设置有与所述待检验芯片的功能对应的引脚，所述信号处理模块通过所述FPGA接口与所述FPGA连接。
优选地，所述FPGA接口的引脚数量大于所述待检验芯片的引脚数量。
优选地，所述FPGA子板还包括电能表外设模块，所述电能表外设模块包括按键、显示屏、指示灯及通信电路；所述按键、所述显示屏、所述指示灯及所述通信电路分别与所述FPGA连接；其中，
所述按键，用于接收用户的输入信号，并将所述输入信号发送至所述FPGA，以使所述FPGA根据所述输入信号向所述显示屏输出对应的显示信号；
所述显示屏，用于接收所述显示信号，并进行显示；
所述指示灯，用于接收所述FPGA发送的指示信号，并指示电能表的电能脉冲；
所述通信电路，用于与所述FPGA进行通信，获取用户的电量数据，并发送所述用电量至电力系统。
优选地，所述指示灯及所述通信电路均通过电阻与所述FPGA连接。
优选地，所述FPGA包括可配置逻辑模块及输入模块，所述可配置逻辑模块内置有所述待检验芯片程序，且所述可配置逻辑模块与所述输入模块连接，所述FPGA接口包括功能接口及输出接口；所述可配置逻辑模块与所述功能接口连接，所述输入模块与所述输出接口连接。
优选地，所述FPGA还包括安全模块，所述安全模块与所述可配置逻辑模块连接，所述安全模块内置具有加密算法的安全引擎。
优选地，还包括用于给FPGA供电的供电电源，所述供电电源与所述FPGA之间设置有隔离器件。
本发明还提出一种用于电能表管理芯片验证的装置，所述用于电能表管理芯片验证的装置包括如上所述的用于电能表管理芯片验证的系统。
本发明通过在用于电能表管理芯片验证的系统中设置内置有待检验芯片程序的FPGA及与FPGA连接的FPGA子板；其中，FPGA子板包括与FPGA连接的信号处理模块，用于采集电压信号及电流信号，并将电压信号及电流信号转换为数字信号后发送至FPGA；FPGA根据待检验芯片程序及数字信号验证待检验芯片的功能是否满足设计要求。其中，通过将电能表管理芯片的运行程序放置于FPGA中，配合FPGA子板模拟电能表正常运行环境，从而对运行程序进行仿真验证，使得在设计电能表管理芯片的过程中可以反复调试，解决了在开发电能表管理芯片时无专用测试装置的技术问题，降低了开发成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明用于电能表管理芯片验证的系统一实施例的结构示意图；
图2是图1中FPGA接口一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号
名称
标号
名称
10
FPGA
210
信号处理模块
20
FPGA子板
220
电能表外设模块
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种用于电能表管理芯片验证的系统。
参照图1，在一实施例中，所述用于电能表管理芯片验证的系统包括内置有待检验芯片程序的FPGA10及与所述FPGA10连接的FPGA子板20；其中，所述FPGA子板20包括信号处理模块210，所述信号处理模块210与所述FPGA10连接，用于采集电压信号及电流信号，并将所述电压信号及所述电流信号转换为数字信号后发送至所述FPGA10；所述FPGA10，用于根据所述待检验芯片程序及所述数字信号验证待检验芯片的功能是否满足设计要求。
需要说明的是，待检验芯片指待检验的电能表管理芯片，待检验芯片程序指待检测的电能表管理芯片的运行程序，FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)10中内置有待检测电能表管理芯片的运行程序，FPGA子板20则模拟电能表中除电能表管理芯片的其他部分，两者配合可以作为一个仿真电能表，通过FPGA子板20可以模拟电能表运行环境获取数字信号，FPGA10根据数字信号运行程序，进行计算、存储、显示等操作，以验证与运行程序对应的电能表管理芯片的各项功能是否满足设计要求。
具体地，所述信号处理模块210包括电压电流采样电路(未标示)、模数转换器(未标示)、随机存取存储器(未标示)及计量电路(未标示)；所述电压电流采样电路，分别与母线及所述模数转换器连接，用于对电压及电流进行采样，获得电压信号和电流信号，并发送电压信号和电流信号至模数转换器，所述模数转换器与所述随机存取存储器连接，用于将电压信号和电流信号转换为初始数字信号，并发送初始数字信号至随机存取存储器进行存储，所述随机存取存储器与所述计量电路连接，将初始数字信号发送至计量电路，所述计量电路与所述FPGA10连接，计量电路根据初始数字信号进行计量运算，获得最终数字信号，并将最终数字信号发送至FPGA10中。
应当理解的是，上述计量电路，可以是集成在计量芯片中的计量电路或未集成的计量电路，对于其硬件形式，本实施例不加以限制。
在具体实现中，所述FPGA子板20还包括FPGA接口(未标示)，所述FPGA接口上设置有与所述待检验芯片的功能对应的引脚，所述信号处理模块210通过所述FPGA接口与所述FPGA10连接。
应当理解的是，FPGA子板20应当按照电能表实际的需求设计，其可靠性和功能不低于现有的产品，为了使FPGA10与FPGA子板20连接后可以用于电能表管理芯片的验证，需要在FPGA子板20上设置FPGA接口，实现与FPGA10之间的通信，FPGA接口上应当设置有与电能表管理芯片的功能对应的引脚，请一并参照图2，图2是FPGA接口的一实施例的结构示意图。FPGA接口上的引脚可以包括外置负荷开关控制、计量芯片串口通信接收、计量芯片串口通信发送、液晶电源控制、继电器检测输入电源控制等功能。
进一步地，为了使该验证系统适用于大部分种类的电能表管理芯片，FPGA接口的引脚数量可以大于所述待检验芯片的引脚数量。如实际的电能表管理芯片设计时大约只有80个引脚，但在设计FPGA接口时可以设置120个引脚，对于不用的引脚可以空着备用。
进一步地，所述FPGA子板20还包括电能表外设模块220，所述电能表外设模块220包括按键(未标示)、显示屏(未标示)、指示灯(未标示)及通信电路(未标示)；所述按键、所述显示屏、所述指示灯及所述通信电路分别与所述FPGA10连接；其中，所述按键，用于接收用户的输入信号，并将所述输入信号发送至所述FPGA10，以使所述FPGA10根据所述输入信号向所述显示屏输出对应的显示信号；所述显示屏，用于接收所述显示信号，并进行显示；所述指示灯，用于接收所述FPGA发送的指示信号，并指示电能表的电能脉冲；所述通信电路，用于与所述FPGA10进行数据交互，读取用户用电量数据并发送所述用电量数据至电力系统。
需要说明的是，所述指示灯及所述通信电路均通过电阻与所述FPGA10连接，或者通过电阻、电容等器件与所述FPGA10连接。为满足FPGA板的插拔性，需要增加防止FPGA10异常后的设计方法，如在外置开关控制、漏电电流检测、载波通信、继电器控制、脉冲输出等信号上增加电阻，用于分压，提升抗干扰性。
应当理解的是，所述显示屏优选为液晶显示屏，可以显示电能、时钟等数据；所述通信电路优选为RS485通信电路；除此之外，所述电能表外设模块还可以包括EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory，带电可擦可编程只读存储器)、FLASH(闪存)和继电器等，与FPGA共同实现脉冲输出、继电器输出控制等。
在具体实现中，由于电能表有3种运行模式：工作、低功耗、超低功耗。工作模式是指电能表处于正常计量情况下后电能表管理芯片才全速运行，其它两种模式都是电能表在掉电情况下，由电池供电，电能表管理芯片只需运行部分功能。电能表在低功耗情况下，需要接受按键唤醒；在超低功耗下则只需要维持内存中的数据不丢失即可。因此，本实施例中，用户可以通过按键实现电能表工作模式切换信号的输入，最终使FPGA10实现电能表工作模式的切换。
进一步地，所述FPGA10包括可配置逻辑模块(图未示)及输入模块(图未示)，所述可配置逻辑模块内置有所述待检验芯片程序，且所述可配置逻辑模块与所述输入模块连接，所述FPGA接口包括功能接口(图未示)及输出接口(图未示)；所述可配置逻辑模块与所述功能接口连接，所述输入模块与所述输出接口连接。
应当理解的是，FPGA10上的可配置逻辑模块与FPGA子板20上的功能接口连接在一起，通过可配置逻辑模块实现FPGA子板20各种模式的切换和功能实现。FPGA10上的输入模块与FPGA子板20上各个输出接口连接在一起，形成回路，控制继电器输出、脉冲输出和通信控制。
进一步地，所述FPGA10还包括安全模块(图未示)，所述安全模块与所述可配置逻辑模块连接，所述安全模块内置具有加密算法的安全引擎。
应当理解的是，所述加密算法可以是国密算法或其他算法，本实施例对此不加以限制，通常为了保障电能表管理芯片的安全性，会使用集成了加密算法的安全引擎，使该芯片同时具有主动免疫能力。本实施例中在FPGA10中通过安全模块模拟加密的电能表管理芯片，进一步还原了电能表管理芯片的真实应用场景，使验证结果更加准确。
进一步地，用于电能表管理芯片验证的系统还包括用于给FPGA 10供电的供电电源(图未示)，所述供电电源与所述FPGA10之间设置有隔离器件。
应当理解的是，FPGA10的供电是外部电源供电，因此需要在供电电源上考虑隔离，避免外部电源的干扰，在电路设计上需要增加隔离器件，如光耦等。
以下，结合图1和图2说明本实施例的系统设计步骤：
步骤1、首先按照电能表管理芯片最终排布进行设计，电能表上使用到的PIN全部体现出来，结合FPGA10的功能，把电能表管理芯片上的PIN与FPGA接口对应起来，FPGA接口的排布具体可参照图2，FPGA接口的引脚要多于电能表管理芯片上的引脚。
步骤2、FPGA子板20上设计的电路要完全符合电能表所有功能的需求，其中，信号处理模块210中设计电压电流采样电路、模数转换器、随机存取存储器及计量电路，对电流及电流进行采样，最终转换为数字信号传到FPGA10，FPGA10可根据具体的功能需求进行计算、存储、显示等操作；电能表外设模块220中设计按键、显示屏、指示灯、按键及通信电路等电路，实现计量、显示、存储、按键、通信等功能。
步骤3、FPGA10通过FPGA接口分别与计量电路、按键、显示屏、指示灯、按键及通信电路等连接，并且在外置开关控制、漏电电流检测、载波通信、继电器控制、脉冲输出等信号上增加电阻，用于分压，提升抗干扰性。
步骤4、FPGA10的供电电源与FPGA10之间增加隔离器件。
步骤5、运行FPGA10内置待检验芯片程序，实现对芯片的验证。
本实施例通过在所述用于电能表管理芯片验证的系统中设置内置有待检验芯片程序的FPGA及与FPGA连接的FPGA子板；其中，FPGA子板包括与FPGA连接的信号处理模块，用于采集电压信号及电流信号，并将电压信号及电流信号转换为数字信号后发送至FPGA；FPGA根据待检验芯片程序及数字信号验证待检验芯片的功能是否满足设计要求。其中，通过将电能表管理芯片的运行程序放置于FPGA中，配合FPGA子板模拟电能表正常运行环境，从而对运行程序进行仿真验证，使得在设计电能表管理芯片的过程中可以反复调试，解决了在开发电能表管理芯片时无专用测试装置的技术问题，降低了开发成本。
本发明还提出一种用于电能表管理芯片验证的装置，所述用于电能表管理芯片验证的装置包括如上所述的用于电能表管理芯片验证的系统，所述用于电能表管理芯片验证的装置的系统结构可参照上述实施例，在此不再赘述；可以理解的是，由于本实施例的用于电能表管理芯片验证的装置采用了上述用于电能表管理芯片验证的系统的技术方案，因此所述用于电能表管理芯片验证的装置具有上述所有的有益效果。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。