如何基于C2000內(nèi)置12位ADC設(shè)計電能計量方案？

摘要

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

1 C2000計量庫介紹

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能耗統(tǒng)計的需求，對于這個巨大的應(yīng)用市場，將C2000芯片在家電電機電源上的應(yīng)用優(yōu)勢在最小硬件成本添加代價下兼容拓展能耗統(tǒng)計功能是本次設(shè)計的目的。

C2000芯片專注于電機電源控制，其優(yōu)秀的性能已被業(yè)界普遍認(rèn)可。本次設(shè)計是基于C2000 Piccolo系列芯片搭建的軟件測試平臺，實現(xiàn)一套滿足智能家居能耗計量的軟件庫，使用最小的硬件代價實現(xiàn)對C2000應(yīng)用領(lǐng)域的豐富。

1.2硬件平臺及軟件庫介紹

本次參考設(shè)計硬件平臺使用C2000 Piccolo Entry Line Control Pad，這是TI提供的一套低成本C2000開發(fā)板，基于此平臺搭建的電路進行計量庫開發(fā)可以使用戶在逐步學(xué)C2000開發(fā)編程的同時實現(xiàn)一套能耗計量軟件。

此參考設(shè)計實現(xiàn)一個單相電能計量方案。參考設(shè)計的目的旨在實現(xiàn)一個完整的單相計量庫。使用戶在這個參考設(shè)計的基礎(chǔ)上快速建立自己的單相計量方案。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)，滿足單相電能計量的需求，軟件支持?jǐn)?shù)字校表。

2 第二部分 計量電路及功能描述

2.1計量代碼庫

調(diào)用計量庫時，只需要將emeter目錄下的所有文件都添加進來，就能夠使用計量功能了。其中文件emeter-interface.h中聲明了所有對外調(diào)用接口，供程序調(diào)用，以實現(xiàn)校表和計量數(shù)據(jù)讀取等功能。算法庫默認(rèn)配置ADC轉(zhuǎn)換率為3200點/秒，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為12bit，數(shù)據(jù)范圍0—4096，實現(xiàn)單相計量。函數(shù)adc_interrupt()實現(xiàn)對原始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的運算，measurement_callback()負(fù)責(zé)進一步處理adc_interrupt()中預(yù)處理的數(shù)據(jù)。因此可以在ADC每個中斷中調(diào)用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個點然后再循環(huán)調(diào)用此函數(shù)，函數(shù)入?yún)dc_raw為信號輸入，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()實現(xiàn)流程如圖1所示：

計量前端電路由電壓信號調(diào)理電路和電流信號調(diào)理電路組成。電壓信號調(diào)理電路使用電阻器對輸入工頻信號分壓，并經(jīng)過運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通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過運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。總的輸入電壓幅值0.66*1.414+1.32=2.25V，輸入信號3.3V以內(nèi)。電流互感器輸入5A/2.5mA(根據(jù)互感器具體型號定)，取樣電阻電壓2.5*10=25mV，經(jīng)運放20倍放大(具體放大倍數(shù)調(diào)整R9，R10)，輸入交流信號25*20=0.5V，總的輸入電流幅值(10A)1*1.414+1.6=3.014V，輸入信號3.3V以內(nèi)。當(dāng)使用錳銅電阻獲得電流信號時，電流信號調(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，以更新實時數(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每個中斷中調(diào)用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個點然后再循環(huán)調(diào)用此函數(shù)，

函數(shù)入?yún)dc_raw為信號輸入，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或擴展，地址不具體定義。使用枚舉變量讓編譯器自動生成。用戶可以include的這個變量定義，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：

獲取實時數(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，