如何基于C2000內(nèi)置12位ADC設(shè)計(jì)電能計(jì)量方案？

摘要

本應(yīng)用筆記介紹了基于C2000內(nèi)核和片內(nèi)12位ADC實(shí)現(xiàn)軟件電能計(jì)量的方案。C2000是德州儀器半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的32位高性能實(shí)時(shí)微控制器，廣泛應(yīng)用于諸如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字電源等各種和功率控制相關(guān)的實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，而電能和功率的計(jì)算在以上應(yīng)用中往往作為反饋控制的輸入信號(hào)存在。因此，將軟件電能計(jì)量算法集成到C2000平臺(tái)上是實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)控制SOC方案的關(guān)鍵。本文介紹了在C2000上實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)量算法的具體方法以及TI基于C2000的軟件計(jì)量庫(kù)的使用方法，同時(shí)給出了測(cè)試結(jié)果。

1 C2000計(jì)量庫(kù)介紹

1.1應(yīng)用背景

節(jié)能環(huán)保的倡導(dǎo)和推行使大部分家用電器都有對(duì)能耗統(tǒng)計(jì)的需求，對(duì)于這個(gè)巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，將C2000芯片在家電電機(jī)電源上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在最小硬件成本添加代價(jià)下兼容拓展能耗統(tǒng)計(jì)功能是本次設(shè)計(jì)的目的。

C2000芯片專(zhuān)注于電機(jī)電源控制，其優(yōu)秀的性能已被業(yè)界普遍認(rèn)可。本次設(shè)計(jì)是基于C2000 Piccolo系列芯片搭建的軟件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一套滿足智能家居能耗計(jì)量的軟件庫(kù)，使用最小的硬件代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)C2000應(yīng)用領(lǐng)域的豐富。

1.2硬件平臺(tái)及軟件庫(kù)介紹

本次參考設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)使用C2000 Piccolo Entry Line Control Pad，這是TI提供的一套低成本C2000開(kāi)發(fā)板，基于此平臺(tái)搭建的電路進(jìn)行計(jì)量庫(kù)開(kāi)發(fā)可以使用戶在逐步學(xué)C2000開(kāi)發(fā)編程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)一套能耗計(jì)量軟件。

此參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)單相電能計(jì)量方案。參考設(shè)計(jì)的目的旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的單相計(jì)量庫(kù)。使用戶在這個(gè)參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上快速建立自己的單相計(jì)量方案。代碼庫(kù)提供有功功率，無(wú)功功率，視在功率，有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測(cè)量回路電流有效值，電壓有效值，功率因數(shù)，頻率等參數(shù)，滿足單相電能計(jì)量的需求，軟件支持?jǐn)?shù)字校表。

2 第二部分 計(jì)量電路及功能描述

2.1計(jì)量代碼庫(kù)

調(diào)用計(jì)量庫(kù)時(shí)，只需要將emeter目錄下的所有文件都添加進(jìn)來(lái)，就能夠使用計(jì)量功能了。其中文件emeter-interface.h中聲明了所有對(duì)外調(diào)用接口，供程序調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)校表和計(jì)量數(shù)據(jù)讀取等功能。算法庫(kù)默認(rèn)配置ADC轉(zhuǎn)換率為3200點(diǎn)/秒，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為12bit，數(shù)據(jù)范圍0—4096，實(shí)現(xiàn)單相計(jì)量。函數(shù)adc_interrupt()實(shí)現(xiàn)對(duì)原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的運(yùn)算，measurement_callback()負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理adc_interrupt()中預(yù)處理的數(shù)據(jù)。因此可以在ADC每個(gè)中斷中調(diào)用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個(gè)點(diǎn)然后再循環(huán)調(diào)用此函數(shù)，函數(shù)入?yún)dc_raw為信號(hào)輸入，adc_raw[0]為電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，adc_raw[1]為電流轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。adc_interrupt()，measurement_callback()實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示：

計(jì)量前端電路由電壓信號(hào)調(diào)理電路和電流信號(hào)調(diào)理電路組成。電壓信號(hào)調(diào)理電路使用電阻器對(duì)輸入工頻信號(hào)分壓，并經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器緩沖后送至MCU ADC輸入引腳。電流互感器輸出電流信號(hào)通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后送至MCU ADC輸入引腳。推薦電路如圖2所示：

上圖電壓輸入分析如下：

市電220V交流輸入，經(jīng)10k和15k并聯(lián)再串聯(lián)2M電阻分壓，輸入交流電壓為220V*(6/(2000+6))=0.66V，直流電壓3.3*10/25=1.32V?？偟妮斎腚妷悍?.66*1.414+1.32=2.25V，輸入信號(hào)3.3V以?xún)?nèi)。電流互感器輸入5A/2.5mA(根據(jù)互感器具體型號(hào)定)，取樣電阻電壓2.5*10=25mV，經(jīng)運(yùn)放20倍放大(具體放大倍數(shù)調(diào)整R9，R10)，輸入交流信號(hào)25*20=0.5V，總的輸入電流幅值(10A)1*1.414+1.6=3.014V，輸入信號(hào)3.3V以?xún)?nèi)。當(dāng)使用錳銅電阻獲得電流信號(hào)時(shí)，電流信號(hào)調(diào)理電路形式如下：

2.2函數(shù)說(shuō)明

emeter-interface.h文件中聲明的主要函數(shù)和宏定義如下：

int32_t get_parameter(int address)

介紹：獲取各種計(jì)量參數(shù)從地址address。

入?yún)ⅲ?6位整型address地址

出參：返回該地址上的數(shù)據(jù)。

可中斷重入，可中斷中使用。

uint8_t set_parameter(int address， int32_t value)

介紹：設(shè)置各種校表參數(shù)和表參數(shù)到地址address。

入?yún)ⅲ?6位整型，address地址32位有符號(hào)整型value值

出參：返回1表示操作成功，返回0表示操作失敗。

不可中斷重入，不可中斷中使用。

void measurement_setup (void)

介紹：代碼庫(kù)初始化，在上電之初調(diào)用。

入?yún)ⅲ簾o(wú)

出參：無(wú)

void measurement_callback (void)

介紹：此函數(shù)周期性(1s)調(diào)用，以更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

入?yún)ⅲ簾o(wú)

出參：無(wú)

不可中斷重入，不可中斷中使用。

void adc_interrupt(int16_t * adc_raw)

Application Report

ZHCA501–Jan 2013

介紹：可以在ADC每個(gè)中斷中調(diào)用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個(gè)點(diǎn)然后再循環(huán)調(diào)用此函數(shù)，

函數(shù)入?yún)dc_raw為信號(hào)輸入，adc_raw[0]為電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，adc_raw[1]為電流轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

入?yún)ⅲ弘妷弘娏鬏斎階DC值數(shù)值，adc_raw [0]電壓，adc_raw [1]電流。

出參：無(wú)

2.3 地址及相應(yīng)功能介紹

考慮到代碼將來(lái)的改動(dòng)或擴(kuò)展，地址不具體定義。使用枚舉變量讓編譯器自動(dòng)生成。用戶可以include的這個(gè)變量定義，使用枚舉地址設(shè)置和獲取數(shù)據(jù)。

int32_t get_parameter(int address)函數(shù)地址枚舉變量定義如下：

獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

enum get_parameter_table

{

AFE_BASE_A = 0x0000，

AFE_GET_ACTIVE_POWER，

AFE_GET_REACTIVE_POWER，

AFE_GET_APPARENT_POWER，

AFE_GET_ACTIVE_ENERGY，

AFE_GET_REACTIVE_ENERGY，