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)量庫的使用方法，同時(shí)給出了測試結(jié)果。

1 C2000計(jì)量庫介紹

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，將C2000芯片在家電電機(jī)電源上的應(yīng)用優(yōu)勢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，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開發(fā)板，基于此平臺(tái)搭建的電路進(jìn)行計(jì)量庫開發(fā)可以使用戶在逐步學(xué)C2000開發(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。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。代碼庫提供有功功率，無功功率，視在功率，有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測量回路電流有效值，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

調(diào)用計(jì)量庫時(shí)，只需要將emeter目錄下的所有文件都添加進(jìn)來，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)通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過運(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以內(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以內(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：代碼庫初始化，在上電之初調(diào)用。

入?yún)ⅲ簾o

出參：無

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

出參：無

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

2.3 地址及相應(yīng)功能介紹

考慮到代碼將來的改動(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，[!--empirenews.page--]

AFE_GET_VRMS，

AFE_GET_IRMS，

AFE_GET_POWER_FACTOR，

AFE_GET_FREQUENCY，

AFE_GET_ENERGY_MODE，

AFE_GET_STARTUP_I，

AFE_GET_PULSE_CONST，

AFE_GET_POWER_GAINA0，

AFE_GET_PHASEOFFSET_A0，

AFE_GET_VGAINA，

AFE_GET_IGAINA，

AFE_GET_IOFFSETA，

};

以下對(duì)每個(gè)地址進(jìn)行解析：

AFE_GET_ACTIVE_POWER

描述：有功功率

單位：10mW

AFE_GET_REACTIVE_POWER

描述：無功功率

單位：10mVar

AFE_GET_APPARENT_POWER

描述：視在功率

單位：10mVA

AFE_GET_VRMS

描述：電壓有效值

單位：10mV

AFE_GET_IRMS

描述：電流有效值

單位：1mA

AFE_GET_POWER_FACTOR

描述：功率因數(shù)

單位：0.0001

AFE_GET_ACTIVE_ENERGY

描述：兩回路中較大有功電能脈沖數(shù)

單位：依賴脈沖常數(shù)

AFE_GET_REACTIVE_ENERGY

描述：兩回路中較大無功電能脈沖數(shù)

單位：依賴脈沖常數(shù)

AFE_GET_FREQUENCY

描述：系統(tǒng)頻率

單位：0.01Hz

AFE_GET_POWER_GAINA0

描述：功率增益

AFE_GET_PHASEOFFSET_A0

描述：電壓電流角差補(bǔ)償

AFE_GET_VGAINA

描述：電壓增益

AFE_GET_IGAINA

描述：電流增益

AFE_GET_IOFFSETA

描述：電流偏置

單位：1mA

AFE_GET_POFFSETA

描述：功率偏置

單位：10mW

AFE_GET_ENERGY_MODE

描述：能量累計(jì)模式

單位：0絕對(duì)值累計(jì)1正能量累計(jì)

ZHCA501–Jan2013

描述：啟動(dòng)電流

單位：1mA

AFE_SET_PULSE_CONST

描述：脈沖常數(shù)

獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

enum set_parameter_table

{

AFE_SET_BASE = 0x00，

AFE_SET_POWER_GAINA0，

AFE_SET_PHASEOFFSET_A0，

AFE_SET_VGAINA，

AFE_SET_STARTUP_I，

AFE_SET_FREQUENCY，

AFE_SET_SAMPLES_10S，

AFE_SET_IGAINA，

AFE_SET_IOFFSETA，

AFE_SET_POFFSETA，

AFE_SET_ENERGY_MODE，

AFE_SET_PULSE_CONST，

AFE_SET_CAL_INIT，

};

AFE_SET_POWER_GAINA0

描述：功率增益

AFE_SET_PHASEOFFSET_A0

描述：電壓電流角差補(bǔ)償

AFE_SET_VGAINA

描述：電壓增益

AFE_SET_STARTUP_I

描述：啟動(dòng)電流

單位：1mA

AFE_SET_IGAINA

描述：電流增益

AFE_SET_IOFFSETA

描述：電流偏置

單位：1mA

AFE_SET_POFFSETA

描述：功率偏置

單位：10mW

AFE_SET_PULSE_CONST

描述：脈沖常數(shù)

AFE_SET_CAL_INIT

描述：校表初始化

AFE_SET_CAL_END

描述：校表結(jié)束

AFE_SET_SAVE_FUNC

描述：用戶設(shè)置校表數(shù)據(jù)保存函數(shù)

3 校表介紹

3.1 校表寄存器

校表寄存器在火線零線等同對(duì)待。

功率增益寄存器

 

電壓電流角差補(bǔ)償寄存器

 

有功偏置寄存器

 

電流增益寄存器

 

電流偏置寄存器

 

電壓增益寄存器

 

3.2 校表方法

本計(jì)量庫提供了專門的接口對(duì)計(jì)量參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。校表軟件在pc端運(yùn)行，通過串口通訊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。具體操作可參考示例代碼。

3.2.1 功率增益及偏置校準(zhǔn)

功率增益校準(zhǔn)可以進(jìn)行單點(diǎn)和兩點(diǎn)校準(zhǔn)。當(dāng)單點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，功率偏置默認(rèn)為0。當(dāng)兩點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，功率偏置為功率相對(duì)0點(diǎn)的截距。校表可以通過脈沖也可以通過多次讀取功率值求平均進(jìn)行。兩點(diǎn)校表公式如下：(最好取100%Ib 和5%Ib兩點(diǎn))

功率增益校驗(yàn)公式：

 

EH和EL為大電流和小電流時(shí)功率的誤差。(如100%Ib和5%Ib兩點(diǎn)功率的誤差)NH2L為大電流和小電流的比差。(如NH2L=100%Ib/5%Ib=20)

功率偏置校驗(yàn)公式：

 

PGEN是在小電流時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)功率值。

無功的增益和偏置類似于有功，可參考有功校準(zhǔn)。以下是一個(gè)單點(diǎn)校表的例子，說明如何編寫校表軟件：

1. EH =0.5%

2. 原始的P1_GAINn=10000

3. 新的P1_GAINn+1=10000/(1+0.5%)=9950[!--empirenews.page--]

3.2.2 電壓電流角差校準(zhǔn)

電壓電流的角度補(bǔ)償使用的是軟件同步。

角差補(bǔ)償使用下面公式

 

fM是電網(wǎng)頻率。如果fM=50Hz，fm=256×4096=1MHz，每個(gè)步長是0.017°，當(dāng)功率增益和偏置都校準(zhǔn)完畢后，才對(duì)角差進(jìn)行校準(zhǔn)。步驟如下：

1. 在100%Ib點(diǎn)，設(shè)置功率因數(shù)為0.5L。

2. 獲取當(dāng)前脈沖的誤差E。并將E帶入下面公式

 

公式計(jì)算如下例：

1. E =0.3%

2. 原始的 P1_PHASEn = 6

3. 新的 P1_PHASEn+1 =10+6=16

3.2.3 電壓增益校準(zhǔn)

電壓增益校準(zhǔn)步驟如下：

1. 將電壓設(shè)置成固定的電壓值，如：220V

2. 如下公式

 

3. 設(shè)置VRMS_FACTORn+1 到功率增益寄存器，步驟如下：

1) VRMSGEN = 220V and VRMSmeasure = 219V

2) 原始的 VRMS_FACTORn = 2000

3) 新的 VRMS_FACTORn+1 =2000*220/219=2009

3.2.4 電流增益校準(zhǔn)

此校準(zhǔn)類同電壓增益校準(zhǔn)。

3.3 校表軟件使用

3.3.1 校表軟件界面介紹

 

圖4的校表軟件界面分為5個(gè)模塊：1，串口連接模塊;2，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊;3，校正數(shù)據(jù)設(shè)置模塊;4，校正數(shù)據(jù)讀出模塊;5、通訊數(shù)據(jù)模塊。

3.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊使用

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊將電表實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)通過串口讀出在校表軟件中顯示，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)包括：Voltage(V)有效電壓值(單位：伏特)，Current(A)有效電流(單位：安培)，Active Power(W)有功功率(單位：瓦特)，Reactive Power(Var)無功功率(單位：乏)，Apparent Power(VA)視在功率(單位：伏安)，Power Factor 功率因素Frequency(Hz)頻率(單位：赫茲)。點(diǎn)擊Read按鈕，可以顯示電表實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)。

3.3.3 校正數(shù)據(jù)設(shè)置模塊使用

校表軟件目前只支持Voltage Gain有效電壓增益、Current Gain有效電流增益、Power Gain有功功率增益、Phase Offset相位偏置單點(diǎn)校正。默認(rèn)電壓校正點(diǎn)為：220V有效電壓，電流校正點(diǎn)為：1A有小電流，有功功率校正點(diǎn)為：220W;相位偏置校正點(diǎn)為：220V、1A、0.5L。

校正步驟：

1，使用校表儀器輸出220V有效電壓，1A有效電流，功率因素1.0的信號(hào)，送至電表電壓、電流輸入端;

2，在Volage Gain中輸入默認(rèn)有效電壓校正值220，點(diǎn)擊Setting設(shè)置;

3，在Current Gain中輸入默認(rèn)有效電流校正值1，點(diǎn)擊Setting設(shè)置;

4，在Power Gain中輸入默認(rèn)有功功率校正值220，點(diǎn)擊Setting設(shè)置;

5，使用校表儀器輸入有效電壓，1A有效電流，功率因素0.5的信號(hào)，送至電表電壓、電流輸入端;

6，在Phase Offset中輸入offset值，一個(gè)單位對(duì)應(yīng)0.02°，輸入一個(gè)數(shù)值，然后通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口讀出新的功率因素，反復(fù)校正，直至讀出功率因素接近0.5即可;

7，校正完畢后，點(diǎn)擊Save保存數(shù)據(jù)，電表將最后的校正數(shù)據(jù)保存至MCU FLASH中。

3.3.4 校正數(shù)據(jù)讀出模塊使用

校正數(shù)據(jù)讀出模塊可以通過串口將電表FLASH存儲(chǔ)的V Gain，I Gain，Phase Offset，P Gain校正數(shù)值的讀出。

3.3.5 通訊數(shù)據(jù)模塊使用

通訊數(shù)據(jù)模塊實(shí)時(shí)顯示串口收發(fā)的數(shù)據(jù)。設(shè)置過程中如果出現(xiàn)“Time out!”提示，表示連接超時(shí)，應(yīng)當(dāng)檢查通訊線路連接，然后重新發(fā)送命令。校正數(shù)據(jù)設(shè)置成功后，通訊數(shù)據(jù)模塊提示“Set successful!”。通過按鍵Clear Logs，可以清空通訊數(shù)據(jù)窗口歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

4.1 硬件平臺(tái)

本方案在C2000F280270 Control Pad上進(jìn)行搭建了測試平臺(tái)，并在標(biāo)準(zhǔn)的電能表測試設(shè)備上進(jìn)行了精度測試。圖5為實(shí)際測試的樣機(jī)：

 

4.2 軟件資源占用

本方案占用的C2000資源如下表所示。

 

4.3 測試數(shù)據(jù)

本方案測試精度如下：

電壓電流頻率

 

有功功率和無功功率：

 

功率因素：