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MEDIDOR DE UNA SOLA FASE DE ESTADO SOLIDO Y
APARATO PARA PROGRAMAR ESTE MEDIDOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona en general con medición de energía y más en particular, con medición de electricidad de estado sólido
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los medidores de electricidad se utilizan para medir el uso de la energía. Estos medidores deben ser confiables, económicos y exactos. Además, es deseable que un medidor se pueda configurar para que se le adicionen o se le retiren funciones, según sea requerido. La medición de consumo de energía por cargas acopladas a una línea de potencia monofásica, como por ejemplo en casas habitación, se lleva a cabo típicamente por medio de un medidor mecánico que incluye un disco que gira a una velocidad relacionada con el consumo de energía. Un registro mecánico es controlado por el disco. De manera específica, el registro mecánico incluye engranes y una pantalla. Los engranes se acoplan y se controlan por el disco y los engranes manejan la pantalla El consumo de kilowatt-hora se indica en la pantalla. Los medidores mecánicos son extremadamente confiables y económicos. Sin embargo, los medidores mecánicos típicamente despliegan datos limitados, por ejemplo sólo el consumo de watt/hora
y no se pueden configurar, esto es, no se les puede añadir fácilmente funciones a los medidores cuando se instalan en el campo. Los medidores que incluyen registros electrónicos típicamente se utilizan para medir el consumo de pequeñas cargas industriales y comerciales y en algunas aplicaciones residenciales. Los registros electrónicos miden el consumo de energía así como otros valores útiles en la facturación, como por ejemplo la demanda del uso durante el día. Los medidores incluyen un disco que gira a una velocidad relacionada con el consumo de energía y una unidad óptica que genera impulsos eléctricos a una velocidad proporcional a la velocidad que gira el disco. Los impulsos se proporcionan al registro electrónico para hacer los cálculos del consumo de energía. Esta clase de medidor típicamente se refiere como un medidor electromecánico, ya que la función de medición se lleva a cabo al utilizar un disco mecánico y la función de registro se realiza por un registro electrónico. Los medidores electromecánicos proporcionan más capacidad de procesamiento y cantidades de medición que la de los medidores mecánicos. Los medidores electromecánicos también son más flexibles ya que se les pueden añadir o quitar funciones del medidor Por ejemplo, los registros electrónicos de demanda y los registros de tiempo de uso se fabrican como módulos separados e intercambiables y se pueden asegurar dentro del recinto del medidor, dependiendo de la funcionalidad deseada.
Los medidores que realizan tanto las funciones de medición y de registro utilizando electrónicos, es decir, sin disco giratorio, algunas veces se refieren como medidores de estado sólido. Es más caro fabricar estos medidores que los medidores mecánicos, y por lo tanto, típicamente sólo se utilizan en las aplicaciones de uso de alta energía, por ejemplo en instalaciones industriales. Sería deseable proporcionar un medidor residencial de estado sólido que no sea tan solo confiable y exacto, sino también competitivo en su costo con los medidores mecánicos monofásicos También sería deseable proporcionar un medidor residencial que sea flexible en que la funcionalidad del medidor se pueda mejorar o degradar en el campo sin la necesidad de retirar el medidor de la instalación. Sin embargo, con el fin de instalar funciones adicionales o diferentes, es necesario reprogramar un procesador en el medidor. La reprogramación puede requerir el desensamblar el medidor y quitar el procesador para que se vuelva a programar y inclusive puede necesitar que el medidor se retire de la instalación
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En una modalidad de la invención, un método para volver a programar un medidor incluye la configuración del medidor para que acepte un código de usuario que reprograma con el encendido del medidor, cuando está encendido, lo cual proporciona al usuario una reprogramación de código del usuario para el programa de control del medidor. El medidor está configurado para aceptar el código del
lfe*"***««t-ri«i¿-M-"'- ''' *-'**.« _¿__¿*-Mki!.. -fafc.,j A usuario en el encendido al ejecutar el código del cargador de arranque del procesador provisto para una carga opcional del código del usuario dentro de la memoria del procesador luego del arranque del procesador. El método permite al usuario volver a programar el procesador del medidor con facilidad y rapidez. De este modo, el usuario del medidor puede añadir o cambiar las funciones y opciones de medición sin desensamblar o retirarlo de servicio. En otra modalidad de la invención, un medidor monofásico de estado sólido, incluye un tablero del medidor que incluye filtros para filtrar el voltaje y las señales de corriente y un procesador de señal digital (DSP) para convertir el voltaje análogo filtrado y las señales de corriente en señales digitales y para llevar a cabo los cálculos en la medición de cantidad, por medio del voltaje digital y las señales de corriente. El tablero del medidor también incluye una interfaz paralela para que el tablero se pueda comunicar con y se pueda conectar de una manera retirable con, por lo menos un tablero de opciones Se pueden proporcionar muchos tipos de tableros de opciones y cada tipo de tablero de opciones se configura para proporcionar funciones adicionales al medidor. De manera más específica y en la operación, el tablero DSP del medidor se comunica con el tablero de opciones por medio de la interfaz paralela en un modo de control maestro- esclavo, en la que el tablero del medidor opera como esclavo y el tablero de opciones opera como maestro.
Una arquitectura del medidor en la que el tablero del medidor funciona como esclavo y el tablero de opciones funciona como maestro, facilita una re-configuración fácil y rápida de un medidor, dependiendo de la funcionalidad deseada por el cliente. De manera específica, al asegurar un tablero de opciones que contiene la funcionalidad deseada con el tablero del medidor, el medidor se configura con facilidad para llevar a cabo las funciones deseadas Esta arquitectura no necesita que el medidor se vuelva a programar o a desensamblar. Además, el medidor es exacto, confiable y
10 económico para medir cargas monofásicas típicas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama en bloque de un medidor monofásico de estado sólido; la Figura 2 es un diagrama de la ¡nterfaz paralela entre el tablero del medidor y el tablero de opciones mostrados en la Figura 1; la Figura 3 es una tabla de las definiciones de las clavijas conectoras del tablero de opciones para la interfaz paralela
20 mostradas en las Figuras 1 y 2. la Figura 4 es una tabla que resume la transmisión por medio de un tablero de opciones como maestro sobre la interfaz mostrada en las Figuras 1 y 2; y la Figura 5 es una tabla que resume la transmisión por medio
25 de un tablero del medidor como esclavo sobre la interfaz mostrados
en las Figuras 1 y 2.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN No obstante que la presente invención se describe aquí en el' contexto de un medidor de electricidad, se deberá entender que la invención no se limita a la práctica con relación a los medidores. La presente invención se puede utilizar con relación a un aparato de medición en general y no se limita a la práctica de sólo medición de electricidad. La Figura 1 es una ilustración del diagrama en bloque de un medidor 10 de estado sólido. El medidor 10 incluye un tablero 12 del medidor y un tablero 14 de opciones acoplado por medio de una interfaz 16 paralela. El tablero 12 del medidor incluye un detector 20 de voltaje y un detector 22 de corriente. Los detectores 20 y 22, en la operación, típicamente reciben el voltaje análogo de entrada y las señales de corriente desde la línea de energía monofásica (no mostrada). Las señales desde los detectores 20 y 22 son condicionadas, por ejemplo, filtradas, al utilizar filtros 24 análogos y se convierten en señales digitales por medio de un procesador 30 (DSP) de señal digital. En otra modalidad, los detectores 20 y 22 se acoplan con un convertidor análogo/digital que convierte el voltaje análogo de entrada y las señales de corriente a señales digitales y el DSP 30 toma una muestra de las señales digitales. Durante la conversión A/D, se puede introducir ruido dentro del tablero 12 del medidor, por
IA á.áAáii-l«aht« j-^*f- ejemplo por medio de la impedancia del filtro 24 análogo, que resulta en una conversión de señal no lineal Como es conocido en la técnica, los filtros pasivos (que consisten en una combinación de resistores y capacitores o inductores) se pueden utilizar para reducir la entrada de ruido. Además, se puede obtener una exactitud más alta y linealidad de conversión al utilizar filtros activos, que consisten en amplificadores operacionales que tienen velocidades rápidas de cambio de voltaje para reducir el ruido. El DSP 30 realiza los cálculos y funciones de medición de cantidad al utilizar el voltaje digital y los valores de la corriente Por ejemplo el DSP ejecuta un algoritmo de intervalo de conmutación que se compensa por medio de histéresis y asimismo reduce el punto de error de calibración. También se incrementa la exactitud de las señales convertidas al utilizar la filtración digital y las técnicas de muestreo. Por ejemplo, en una modalidad, el DSP 30 utiliza filtros digitales y agita a las señales de entrada suaves. El DSP 30, por ejemplo, puede ser un procesador disponible comercialmente como Modelo Número TMS320C241 de Texas Instruments Company, P.O. Box 6102, Mail Station 3244, Temple, TX 76503, modificado para llevar a cabo funciones de medición. El DSP 30 se acopla a una pantalla 32, por ejemplo, una pantalla de cristal líquido (LCD), manejado por un controlador 34 de despliegue para controlar el despliegue de varias cantidades de medición seleccionadas. El DSP 30 también está acoplado con un puerto 30 óptico de comunicaciones manejado por un controlador 38
de puerto óptico para habilitar, por ejemplo, a un lector externo para que se comunique con el DSP 30. El puerto 36 puede ser, por ejemplo un puerto OPTOCOM® de General Electric Company, 130 Main Street, Somersworth, N.H. 03878, que es bien conocido y de conformidad con las especificaciones del puerto óptico ANSÍ del tipo II. El DSP 30 incluye una memoria de sólo lectura relámpago (ROM). Un programa de control para controlar la ejecución de la medición y otras funciones están almacenados en la ROM relámpago. Una porción de la ROM relámpago se programa previamente con el código del cargador de arranque para proporcionar una carga opcional del código del usuario desde, por ejemplo el puerto 36 óptico dentro del DSP 30 ROM relámpago luego del encendido del DSP 30. El DSP 30 también incluye un puerto de acceso de prueba de conformidad con la Norma 1149.1 del IEEE (puerto emulador JTAG) configurado ara aceptar, por ejemplo, la entrada desde un emulador (no mostrado) para propósitos de prueba. El DSP 30 puede también generar salidas adicionales utilizadas para varias otras funciones como es bien conocido en la técnica. El tablero 12 del medidor y el tablero 14 de opciones están configurados para que se comuniquen entre sí por medio de la interfaz 16 paralela bajo el control del DSP 30. En una modalidad el DSP 30 está programado para proporcionar la operación de tablero de opciones adicionales que se pueden intercambiar con el tablero 14 de opciones por medio de la conexión del equipo físico de la
interfaz 16. El DSP 30 también está acoplado con una memoria 40 de sólo lectura que se puede programar para que se borre de manera electrónica (EEPROM) para almacenamiento de datos de medición El tablero 12 del medidor incluye un suministro 42 de energía que suministra energía al tablero 12 del medidor y al tablero 14 de opciones. El medidor 10 también incluye un bisel (no mostrado) que tiene, por ejemplo, botones etiquetados PRUEBA o REINICIO Si el tablero 12 del medidor no los utiliza, los botones biselados están disponibles para que los utilice el tablero 14 de opciones sobre la interfaz 16 paralela para funciones que utilizan la entrada del usuario del medidor 10. Se deberá entender que la presente invención se puede practicar con muchos procesadores alternativos y no está limitada a la práctica solamente con el DSP 30. Por lo tanto, como se usa aquí, el término DSP no está limitado a abarcar sólo los circuitos integrados a que se refiere en la técnica como procesadores de señales digitales, sino ampliamente se refiere a microcomputadores, procesador, microcontroladores, circuitos integrados de aplicación específica y otros circuitos que se pueden programar. La Figura 2 es un diagrama de la interfaz 16 paralela entre el tablero 12 del medidor y el tablero 14 de opciones El DSP 30 se utiliza para configurar el tablero 12 del medidor y el tablero 14 de opciones para que se comuniquen entre sí sobre una barra colectora 50 paralela de doble dirección de ocho bits Un línea STB_OP 52 estroboscópica de datos y una línea BUS_CTRL 54 de control de la
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barra colectora son de una dirección desde el tablero 14 de opciones hacia el tablero 12 del medidor. Una línea STB_MET 56 estroboscópica de datos está en una sola dirección desde el tablero 12 del medidor hacia el tablero 14 de opciones. La interfaz 16 incluye un par de cabeza de 24 clavijas/receptor (no mostrado), con la cabeza (por ejemplo un Número de Parte 9938482001 del Conector Derecho de Cabeza GE) en el tablero 12 del medidor y receptor en el tablero 14 de opciones. La Figura 3 define las clavijas 60 conectoras para la interfaz paralela mostradas en las Figuras 1 y 2. La clavija de energía +VD 62 proporciona un voltaje digital de 5V y una clavija 54 V_OPT de energía proporciona un voltaje no regulado análogo de 9.5V. Las barras 62 y 64 colectoras de energía comparten una corriente de estado estable 50- mA. En caso de que el medidor 10 entre en una condición de falla de energía, el DSP 30 sostiene baja la señal FALLA_ENERGIA 66. Cuando las señales de FALLA-ENERGIA 66 del medidor 10 son seguidas por un paro de emergencia debido a perdida de energía, todos los datos del medidor 10 se almacenan en el EEPROM 40 Los conectores S1 68 y S2 70 se conectan con los botones biselados del medidor 10 de PRUEBA y REÍ N ICIO (no mostrados), respectivamente, los cuales no son utilizados por el tablero 12 del medidor. Los conectores S1 68 y S2 70 hacen que los botones de PRUEBA y REINICIO disponibles reciban la entrada desde un usuario del medidor 19 para las funciones del tablero 14 de opciones. El conector 72 transmisor OPTICOM_TX y el receptor 74 conector
SCIRX se utilizan para hacer que el puerto 36 óptico esté disponible para el uso por el tablero 14 de opciones. El conector 76 PULSE_DIS se sostiene para desactivar el SCIRX 74 del DSP 30 para que las comunicaciones del puerto óptico no se interrumpan cuando el DSP 30 emita los impulsos de prueba durante la calibración o prueba. El conector 78 TENTHWATTHOUR transmite una señal de pulso desde el tablero 12 del medidor al tablero 14 de opciones cada vez que se acumula una décima de hora/Watt Una fuente de información de acumulación de energía está de este modo disponible para que se utilice por el tablero 14 de opciones En una modalidad, el tablero 12 del medidor transmite información de impulso de hora/Watt fraccionado, a través del conector 78 al por lo menos un tablero de opciones, por ejemplo un dispositivo de registro que está configurado como interfaz no paralela, es decir, no está configurado para comunicar sobre la ¡nterfaz 16 paralela al utilizar la barra 50 colectora paralela. El conector de REINICIO 80 está unido a un chip supervisor de voltaje (no mostrado) en el tablero 12 del medidor. En el caso de que el riel digital +VD 62 se caiga o falle en levantarse a través de su umbral establecido, el conector REINICIO 80 trae y sostiene el tablero 12 del medidor y el tablero 14 de opciones dentro de la condición de reinicio. Los conectores BATERIA( + )82 y DGND/BATERIA (-) 84 proporcionan el acceso por medio del tablero 14 de opciones al suministro 42 de potencia El conector 86 es una conexión de repuesto reservada para uso futuro Al encender el medidor 10, el tablero 12 del medidor detecta la
presencia de un tablero de opciones como por ejemplo el tablero 14 de opciones. El tablero 12 del medidor entonces registra una condición de error sí éste no recibe la respuesta esperada del tablero de opciones. En otra modalidad, el tablero 14 de opciones genera y controla la secuencia de pantallas (no mostrada) para su despliegue en la LCD 32 por medio de la barra 50 colectora paralela. La barra 50 colectora tiene, por ejemplo, una velocidad de transferencia promedio de 280 kilobits por segundo. Estas pantallas despliegan, por ejemplo, información de comunicación, códigos de error y cantidades de registro. El medidor 10 está configurado para llevar a cabo el respaldo de datos de la EEPROM 40 a intervalos programados, por ejemplo, cada tres horas. Además, si ocurre un corte de energía, el suministro 42 de energía proporciona energía a! tablero 12 del medidor y al tablero 14 de opciones, mientras que los datos del medidor 10 se guardan en la EEPROM 40. En la operación, y si ningún tablero de opciones está conectado con el tablero 12 del medidor, el tablero 12 del medidor procesa las señales de corriente y el voltaje y lleva a cabo funciones de medición en un modo independíente, es decir, sin requerir la entrada del tablero de opciones. El DSP 30 entonces, por ejemplo, despliega los kilowatt/horas acumulados en la LCD 32 y realiza otros cálculos y funciones de medición de cantidad bajo el control del tablero 12 del medidor. Los datos de medición se almacenan en la EEPROM 40 y se emiten las señales de pulso por medio del puerto 36 óptico. Cuando un tablero de opciones se acopla con el tablero 12 del
medidor, el tablero de opciones y el tablero 12 del medidor se comunican en un modo semi-duplex. Debido a que solo un tablero transmite en un punto a la vez, la comunicación es del tipo maestro- esclavo. El tablero 14 de opciones opera como maestro y el tablero 12 del medidor opera como esclavo, es decir, el tablero 12 del medidor sirve a las demandas recibidas del tablero 14 de opciones. Como se muestra en la Figura 4, cuando el tablero 14 de opciones transmite datos, la línea de control de la barra colectora BUS_CTRL 54 primero se lleva a lo alto 90 para reservar el acceso de la barra colectora solamente para transmisión por el tablero 14 de opciones. El puerto de datos del tablero (no mostrado en la Figura 4) a la barra 50 colectora paralela entonces se configura 92 como un puerto de salida. Entonces, el tablero 14 emite los datos 94 y estroboscopia 96 su línea estroboscópica STB_OPT 52. Luego de la detección de un estroboscopio desde la línea estroboscópica STB_OPT 521, la línea de control de la barra controladora BUS_CTRL 54 se verifica 96 para que se afirme como alta, y confirmar que sea válida la transferencia de datos de tablero 14. El puerto de datos del tablero (no mostrado en la Figura 4) a la barra 50 colectora paralela entonces se configura 98 como un puerto de entrada. El tablero 12 entonces lee 98 los datos desde la barra 50 colectora y estroboscopia 98 la línea estroboscópica de datos STB_MET 56 como reconocimiento, por lo que el tablero 14 estuvo esperando 98 desde el inicio 98 de un reloj de conocimiento (no mostrado) en el DSP 30. La transmisión está completa cuando e!
tablero 14 recibe 100 un estroboscopio desde la línea estroboscópica STB_MET 56 como reconocimiento. La línea de control de la barra colectora BUS_CTRL 54 entonces se lleva bajo 100. Como se muestra en la Figura 5, cuando el tablero 12 del medidor transmite datos, la línea de control de la barra colectora BUS_CTRL 54 primero se verifica 110 para una condición baja. Un error de contención en la barra colectora se señala 110 si la BUS_CTRL 54 es alta. El puerto de datos del tablero a la barra 50 colectora paralela entonces se configura 112 como un puerto de salida y los datos se escriben 144 sobre la barra 50 colectora de datos. Un estroboscopio desde la línea estroboscópia STB_MET 56 se envía 116 al tablero 14 y el tablero 12 entonces lee 116 los datos desde la barra 50 colectora. El reloj ACK se inicia 118 y el tablero 12 espera 118 un estroboscopio de reconocimiento desde la línea estroboscópica STB_OPT 52. La transmisión se completa 120 cuando la línea estroboscópica STB_OPT 52 señala su reconocimiento 118. De vez en cuando es deseable mejorar o cambiar el programa de control que reside en la ROM relámpago del DSP 30, por ejemplo, para soportar nuevas funciones disponibles o para proporcionar un nuevo tipo de tablero de opciones que no esté previamente soportado como que se pueda intercambiar con el tablero 14 de opciones. Un método para volver a programar la ROM relámpago del DSP 30 incluye remover el medidor 10 del servicio, remover el DSP del medidor 10 y volver a programar la ROM relámpago de conformidad
con las instrucciones del fabricante del DSP 30. Otro método incluye remover el medidor 10 del servicio, abrir el medidor 10 y conectar un emulador al puerto emulador del DSP 30 JTAG y descargar un nuevo programa de control a la ROM relámpago del DSP 30 Además otro método para volver a programar incluye retirar el medidor 10 del servicio, abrir el medidor 10 y conectar un emulador con el puerto emulador DSP 30 JTAG y descargar un nuevo programa de control para la ROM relámpago DSP 30 utilizando el emulador. Aún, otro método de programación incluye retirar el medidor 10 del servicio, abrir el medidor 10 usando y utilizar un puerto 36 óptico para descargar un nuevo programa de control para la ROM relámpago del DSP 30. También otro método para volver a programar la ROM relámpago se puede practicar mientras el medidor 10 está en servicio. El cargador de arranque de la ROM relámpago del DSP 30 se incorpora por medio de la ejecución del medidor 10 en el encendido del medidor 10. De este modo, cuando el medidor 10 se enciende y se señala para aceptar la reprogramación, el medidor 10 acepta una descarga del código del usuario dentro de la ROM relámpago del DSP 30 desde una fuente externa, por ejemplo, desde el puerto 36 óptico. Todos los métodos antes descritos, comprenden el retirar el medidor 10 del servicio y abrir el medidor 10 para tener acceso a la ROM relámpago para volverla a programar. En una modalidad se puede practicar un método para volver a programar la ROM
relámpago mientras que el medidor 10 está en servicio. El código del cargador de arranque de la ROM relámpago del DSP 30 se incorpora por medio de la ejecución del medidor 10 en el encendido del medidor 10. De este modo, cuando el medidor 10 se enciende y se señala para aceptar la reprogramación, el medidor 10 acepta una descarga del código del usuario dentro de la ROM relámpago del DSP 30 desde una fuente externa, por ejemplo, desde el puerto 36 óptico. El método antes descrito para volver a programar la ROM relámpago del DSP 30 no necesita abrir el medidor 10 o remover el medidor 10 del servicio. El mejoramiento del medidor 10 se hace más simple y consume menos tiempo. La configuración del medidor antes descrita, permite a un usuario cambiar las opciones de medición al retirar un tablero de opciones desde un conector de cabeza/receptor e insertar en su lugar otro tablero de opciones. De este modo las funciones y opciones de medición se pueden cambiar sin volver a programar, desensamblar o retirar el medidor del servicio. La configuración del medidor antes descrita también tiene un punto de error de calibración de menos de 0.1%, no tiene discontinuidades de curva de carga y es preciso (es decir, menos de 1% de error) hasta 0 3 amperes. Mientras que la invención se describió en términos de varias modalidades específicas, las personas experimentas en la técnica podrán reconocer que la invención se puede practicar con
_tf_f_ _&j_¿_¡ modificaciones dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones.