如何基于C2000內置12位ADC設計電能計量方案？

摘要

本應用筆記介紹了基于C2000內核和片內12位ADC實(shí)現軟件電能計量的方案。C2000是德州儀器半導體有限公司生產(chǎn)的32位高性能實(shí)時(shí)微控制器，廣泛應用于諸如馬達驅動(dòng)，數字電源等各種和功率控制相關(guān)的實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，而電能和功率的計算在以上應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(shí)現各種實(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(shí)給出了測試結果。

1 C2000計量庫介紹

1.1應用背景

節能環(huán)保的倡導和推行使大部分家用電器都有對能耗統計的需求，對于這個(gè)巨大的應用市場(chǎng)，將C2000芯片在家電電機電源上的應用優(yōu)勢在最小硬件成本添加代價(jià)下兼容拓展能耗統計功能是本次設計的目的。

C2000芯片專(zhuān)注于電機電源控制，其優(yōu)秀的性能已被業(yè)界普遍認可。本次設計是基于C2000 Piccolo系列芯片搭建的軟件測試平臺，實(shí)現一套滿(mǎn)足智能家居能耗計量的軟件庫，使用最小的硬件代價(jià)實(shí)現對C2000應用領(lǐng)域的豐富。

1.2硬件平臺及軟件庫介紹

本次參考設計硬件平臺使用C2000 Piccolo Entry Line Control Pad，這是TI提供的一套低成本C2000開(kāi)發(fā)板，基于此平臺搭建的電路進(jìn)行計量庫開(kāi)發(fā)可以使用戶(hù)在逐步學(xué)C2000開(kāi)發(fā)編程的同時(shí)實(shí)現一套能耗計量軟件。

此參考設計實(shí)現一個(gè)單相電能計量方案。參考設計的目的旨在實(shí)現一個(gè)完整的單相計量庫。使用戶(hù)在這個(gè)參考設計的基礎上快速建立自己的單相計量方案。代碼庫提供有功功率，無(wú)功功率，視在功率，有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測量回路電流有效值，電壓有效值，功率因數，頻率等參數，滿(mǎn)足單相電能計量的需求，軟件支持數字校表。

2 第二部分 計量電路及功能描述

2.1計量代碼庫

調用計量庫時(shí)，只需要將emeter目錄下的所有文件都添加進(jìn)來(lái)，就能夠使用計量功能了。其中文件emeter-interface.h中聲明了所有對外調用接口，供程序調用，以實(shí)現校表和計量數據讀取等功能。算法庫默認配置ADC轉換率為3200點(diǎn)/秒，轉換數據為12bit，數據范圍0—4096，實(shí)現單相計量。函數adc_interrupt()實(shí)現對原始轉換數據的運算，measurement_callback()負責進(jìn)一步處理adc_interrupt()中預處理的數據。因此可以在ADC每個(gè)中斷中調用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個(gè)點(diǎn)然后再循環(huán)調用此函數，函數入參adc_raw為信號輸入，adc_raw[0]為電壓轉換數據，adc_raw[1]為電流轉換數據。adc_interrupt()，measurement_callback()實(shí)現流程如圖1所示：

計量前端電路由電壓信號調理電路和電流信號調理電路組成。電壓信號調理電路使用電阻器對輸入工頻信號分壓，并經(jīng)過(guò)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(guò)負載電阻轉換成電壓信號，經(jīng)過(guò)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?？偟妮斎腚妷悍?.66*1.414+1.32=2.25V，輸入信號3.3V以?xún)?。電流互感器輸?A/2.5mA(根據互感器具體型號定)，取樣電阻電壓2.5*10=25mV，經(jīng)運放20倍放大(具體放大倍數調整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?xún)?。當使用錳銅電阻獲得電流信號時(shí)，電流信號調理電路形式如下：

2.2函數說(shuō)明

emeter-interface.h文件中聲明的主要函數和宏定義如下：

int32_t get_parameter(int address)

介紹：獲取各種計量參數從地址address。

入參：16位整型address地址

出參：返回該地址上的數據。

可中斷重入，可中斷中使用。

uint8_t set_parameter(int address， int32_t value)

介紹：設置各種校表參數和表參數到地址address。

入參：16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，在上電之初調用。

入參：無(wú)

出參：無(wú)

void measurement_callback (void)

介紹：此函數周期性(1s)調用，以更新實(shí)時(shí)數據。

入參：無(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A(yíng)DC每個(gè)中斷中調用adc_interrupt(adc_raw[2])，也可以緩存多個(gè)點(diǎn)然后再循環(huán)調用此函數，

函數入參adc_raw為信號輸入，adc_raw[0]為電壓轉換數據，adc_raw[1]為電流轉換數據

入參：電壓電流輸入ADC值數值，adc_raw [0]電壓，adc_raw [1]電流。

出參：無(wú)

2.3 地址及相應功能介紹

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

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

獲取實(shí)時(shí)數據結構

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，