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，軟件支持數(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，

　　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，

　　}；

　　以下對每個地址進行解析：

　　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：能量累計模式

　　單位：0絕對值累計1正能量累計

　　ZHCA501–Jan2013

　　描述：啟動電流

　　單位：1mA

　　AFE_SET_PULSE_CONST

　　描述：脈沖常數(shù)

　　獲取實時數(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：電壓電流角差補償

　　AFE_SET_VGAINA

　　描述：電壓增益

　　AFE_SET_STARTUP_I

　　描述：啟動電流

　　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待。

　　功率增益寄存器

　　電壓電流角差補償寄存器

　　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

　　本計量庫提供了專門的接口對計量參數(shù)進行校準。校表軟件在pc端運行，通過串口通訊，進行參數(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

　　功率增益校準可以進行單點和兩點校準。當(dāng)單點校準時，功率偏置默認為0。當(dāng)兩點校準時，功率偏置為功率相對0點的截距。校表可以通過脈沖也可以通過多次讀取功率值求平均進行。兩點校表公式如下：（最好取100%Ib 和5%Ib兩點）

　　功率增益校驗公式：

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

　　功率偏置校驗公式：

　　PGEN是在小電流時的標準功率值。

　　無功的增益和偏置類似于有功，可參考有功校準。以下是一個單點校表的例子，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

　　3.2.2 電壓電流角差校準

　　電壓電流的角度補償使用的是軟件同步。

　　角差補償使用下面公式

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

　　1. 在100%Ib點，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

　　電壓增益校準步驟如下：

　　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

　　此校準類同電壓增益校準。

　　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個模塊：1，串口連接模塊；2，實時數(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 實時數(shù)據(jù)模塊使用

　　實時數(shù)據(jù)模塊將電表實時測量的數(shù)據(jù)通過串口讀出在校表軟件中顯示，實時顯示數(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）。點擊Read按鈕，可以顯示電表實時測量的數(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相位偏置單點校正。默認電壓校正點為：220V有效電壓，電流校正點為：1A有小電流，有功功率校正點為：220W；相位偏置校正點為：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，送至電表電壓、電流輸入端；

　　2，在Volage Gain中輸入默認有效電壓校正值220，點擊Setting設(shè)置；

　　3，在Current Gain中輸入默認有效電流校正值1，點擊Setting設(shè)置；

　　4，在Power Gain中輸入默認有功功率校正值220，點擊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，送至電表電壓、電流輸入端；

　　6，在Phase Offset中輸入offset值，一個單位對應(yīng)0.02°，輸入一個數(shù)值，然后通過實時數(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)模塊實時顯示串口收發(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，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

　　本方案在C2000F280270 Control Pad上進行搭建了測試平臺，并在標準的電能表測試設(shè)備上進行了精度測試。圖5為實際測試的樣機：

　　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：