Просмотров: 2230

Измерение переменного напряжения, вычисление TrueRMS.

Этот урок обучения работе с АЦП будет предназначен для измерения параметров переменного тока, это актуально к нашим электросетям, где качество поставляемой электроэнергии является проблемой. За основу вычисления величины переменного напряжения возьмем информацию на сайте http://www.easycalculation.com. TrueRMS переменного тока, это количество передаваемой энергии которое в идеале соответствует такой же величине постоянного тока.

В нашей электросети сети стандарт 230 вольт, это в идеале 0,707 от амплитудного значения переменного тока в сети, т.е. если максимальное значение амплитуды умножить на 0,707, то мы получим наши 230 вольт. По такому принципу работают большинство вольтметров. В последнее время огибающая кривой не соответствует идеалу синусоиды, а по этому и количество передаваемой энергии далека от идеала. Наша задача определить реальное количество энергии передаваемое в нашей электросети с учетом всех (возможно измеренных) искажений.

Для измерения переменного напряжения, на нашу макетную плату необходимо добавить несколько компонентов. Для измерения необходимо будет применить трансформатор, для гальванической развязки.

Схема.

Для вычисление истинного напряжения TrueRMS необходимо выполнить сканирования одного периода напряжения сети. Т.е. необходимо произвести n- количество измерений. В идеале чем чаще мы сделаем выборки тем точнее будет расчет реального напряжения.

Для измерения истинного напряжения в сети нам необходимо произвести выборку одного периода, или провести выборку на протяжении длительности более одного периода, но я думаю, что точнее будет когда мы будем для измерения выбирать один период.

Для измерения нам скорости от RC генератора АЦП будет недостаточно, поэтому Первое, что сделаем переключимся на системный генератор. Нам необходимо будет определиться какое количество измерений нам необходимо сделать за один период. Первое – необходимо организовать формирования массива данных которые потом понадобятся для вычисления.

Необходимо определить, скорость преобразования. Скорость преобразования зависит от тактовой частоты. В нашем проекте тактовая 32 мГц. Это длительность 31,25 ns.   Для преобразователя необходимо 12 TAD для конвертирования 10 данных. Длительность вычисляется по формуле TAD = TCY • (ADCS<7:0>+1). Где TCY = 2 * Tosc для нашего микроконтроллера. Tosc=32 мГц.

Для буфера измерений отведем буфер 125 измерений. Для тактовой частоты 32 мГц и измеряемой 50 Гц нам необходимо установить для битов  ADCS7:ADCS0: – 63, длительность выборки SAMC4:SAMC0: 28.

Для вычислений можно использовать файл ME (подготавливается).

// настройка АЦП
        TRISA = 0b0000000000000001; // AN0 вход
	AD1PCFG=0b1111111111111110; // настроить AN0 на вход
	AD1CHS = 0x0000;            // AN0 подключить к CH0
        AD1CSSL = 0;
        AD1CON3 = 0b0001110000111111;
//                  ||||||||++++++++-- ADCS7:ADCS0: 63 задание длительности TAD
//                  |||+++++---------- SAMC4:SAMC0: 28 TAD время выборки
//                  |++--------------- не используется
//                  +----------------- 0-системный генартор
        AD1CON2 = 0b0000000000011110;
//                  |||||||||||||||+-- ALTS:всегда использует MUX A входа
//                  ||||||||||||||+--- BUFM: два буфера по 8 регистров
//                  ||||||||||++++---- SMPI3:SMPI0: прерывание от каждого 8 измерения
//                  |||||||||+-------- не используется
//                  ||||||||+--------- BUFS: бит состояния
//                  ||||||++---------- не используется
//                  |||||+------------ CSCNA: сканирование входов выключено
//                  |||++------------- не используется
//                  +++--------------- VCFG2:VCFG0: опорное AVdd и AVss
        AD1CON1 = 0b1000000111100000;
//                  |||||||||||||||+-- DONE:
//                  ||||||||||||||+--- SAMP
//                  |||||||||||||+---- ASAM
//                  |||||||||||++----- не используется
//                  ||||||||+++------- SSRC2:SSRC0: от внутреннего тактового RC генератора запуск
//                  ||||||++---------- FORM1:FORM0: Целое (0000 00dd dddd dddd)
//                  |||+++------------ не используется
//                  ||+--------------- ADSIDL:Продолжить работу модуля в режиме ожидания
//                  |+---------------- не используется
//                  +----------------- ADON:1 - АЦП - включен

В функции прерывания от АЦП выполним процедуру считывания регистров буфера АЦП и загрузки в буфер данных 

void __attribute__ ((__interrupt__, __auto_psv__)) _ADC1Interrupt(void)
{
    IFS0bits.AD1IF = 0;// сбросить бит прерывания
    if(_BUFS)// определяем в какую часть буфера в настоящий момент пишит АЦП
// 0- запись идет в группу ADC1BUF0 до ADC1BUF7
// 1- запись идет в группу ADC1BUF8 до ADC1BUFF
    {
        ADC16Ptr = &ADC1BUF0; 		// будем читать данные из ADC1BUF0 до ADC1BUF7
    }
    else
    {
        ADC16Ptr = &ADC1BUF8; 		// будем читать данные из ADC1BUF8 до ADC1BUFF
    }
    for (countZag = 0; countZag < 8; countZag++)
    {
        if(++countec>=125)
        {
            countec=0;
            Bit.ZAG=1;
        }
        ADC1izm[countec] = *ADC16Ptr++; // загрузка из буфера
    }
}

Проект вычисляет TrueRMS переменного тока, запоминает минимальное и максимальное напряжение за все время работы, выводит на индикатор амплитудное значение.

Сам механизм вычисления:

        ADCValue=0;
// возведение в квадрад
        for (count = 0; count < 125; count++)
        ADC1obra[count]=ADC1obra[count]*ADC1obra[count];              // загрузка из буфера
// нахождение сyммы
        for (count = 0; count < 125; count++)
        ADCValue+=ADC1obra[count];
// вычисление среднего
        ADCValue=ADCValue/125;
// извлечение корня
        ADCValue=sqrt(ADCValue);

Фото проекта.

На дисплей выводиться информация по минимаксам (минимальное и максимальное значение напряжения зафиксированное за время работы, а также максимальное амплитудное. Посредине внизу напряжение в сети измеренное методом TrueRMS.

Проект, среда разработки MPLAB® X v1.70, компилятор С MPLAB XC16 v1.11.

10-бит, высокоскоростной, аналого-цифровой преобразователь, часть 1 72.81 KB 1064 downloads

10-бит, высокоскоростной, аналого-цифровой преобразователь. Проект,...

Download

10-бит, высокоскоростной, аналого-цифровой преобразователь, часть 2 99.45 KB 848 downloads

10-бит, высокоскоростной, аналого-цифровой преобразователь,...

Download

Просмотров: 1222

Измерение постоянного напряжения.

Ну и  как можно обойти АЦП, тем более что он позволяет сканировать со скоростью до 500 тысяч преобразование в секунду (500 ksps).

Структурная схема

И так мысли в слух:

В PIC24 серии АЦП более продвинутый, более гибкая схема управления, выборки и конвертирования и получения результата. принцип работы прост усилитель (S/H) выборки/хранения может через коммутаторы подключаться к контактам контроллера настроенным как аналоговые входы. Через эти контакты он получает входное напряжения которое он запоминает для последующей оцифровки в АЦП. Управление выборкой сигнала может быть управляться как вручную, так и автоматически. Существует минимальное время выборки для того, чтобы усилитель выборки/хранения дал желаемую точность преобразования, т.е. чтобы измерительная емкость смогла полностью зарядиться от входного сигнала. Далее включается в работу АЦП и запускается цикл преобразования – это время, необходимое для преобразования напряжения формируемое усилителем выборки/хранения на его входе. Весь процесс может обеспечивается триггером управления работой АЦП, он автоматически заканчивает время выборки и начинает аналогоцифровое преобразование. Управлявшие сигналы для триггера могут быть взяты из различных аппаратных средств контроллера, или он может управляться вручную из программного обеспечения. Для АЦП требуется один такт (TAD), для преобразования каждого бита результата и плюс два дополнительных такта, или в общей сложности 12 TAD циклов для 10-разрядного преобразования. Когда время преобразования будет завершено, результат загружается в один из 16 буферов АЦП.  АЦП может формировать прерывания для программного обеспечения. Сумма времени выборки и АЦП преобразования, дает общее время преобразования.
Один из режимов преобразования – есть режим непрерывного преобразования, когда триггер автоматического преобразования, использует счетчик и генератор АЦП для формирование времени между преобразованиями. Режим Auto-Sample и триггер автоматического преобразования могут быть использованы совместно, чтобы обеспечить циклическое преобразование без вмешательства программы.

 АЦП в общей сложности использует 22 регистра.

Регистры управления
Модуль имеет шесть регистров управления и состояния:
• AD1CON1:  – регистра управления 1
• AD1CON2:  – регистра управления 2
• AD1CON3:  – регистра управления 3
• AD1CHS:     – выбор входного канала
• AD1PCFG:  – конфигурация порта
• AD1CSSL:  – регистра выбора входов измерения для режима последовательного сканирования.
AD1CON1, AD1CON2 и AD1CON3 регистры контролировать общую работу модуля АЦП. Это подразумевает подключение модуля,
Настройка времени преобразования и источники опорного напряжения, выбрав отбора проб и Преобразование триггеров и ручного управления образца / преобразование последовательности.
AD1CHS регистр (регистр 17-4) выбирает входных каналов для подключения к S/H усилитель. Она также позволяет выбор входных мультиплексоров и выбор источника опорного напряжения для дифференциального режима работы.
AD1PCFG регистр (регистр 17-5) настраивает порты ввода / вывода аналоговых входов или цифровых входов / выходов.
AD1CSSL регистр (регистр 17-6) выбирает каналы должны быть включены для последовательного сканирования.

АЦП Буферы результата измерений.

Модуль включает в себя 16-регистров данных, в зависимости от режима работы АЦП может вести автоматическую запись в эти регистры. Для большей гибкости, если скорости работы процессора недостаточно, чтобы считать все 16 регистров, за время одного конвертирования, можно включить режим, года запись ведется в восемь младших , а процессор, в это время, может считывать информацию со старших восьми регистров и наоборот.

Для изучения работы АЦП необходимо будет немного изменить схему.

Светодиод перенесем на RB4, а вход RA0, будем использовать для измерения напряжения. Для этого подключим потенциометр на 20 кОм к шинам питания контроллера, а сигнал с “движка” подадим на RA0.

Для настройки АЦП добавим в нашу программу следующие строки.

// настройка АЦП
        TRISA = 0b0000000000000001; // AN0 вход
	AD1PCFG=0b1111111111111110; // настроить AN0 на вход
	AD1CHS = 0x0000;            // AN0 подключить к CH0
        AD1CSSL = 0;
        AD1CON3 = 0b1000001100000000;
//                  ||||||||++++++++-- ADCS7:ADCS0: TCY/2
//                  |||+++++---------- SAMC4:SAMC0: 15 TAD время выборки
//                  |++--------------- не используется
//                  +----------------- внутрений генератор
        AD1CON2 = 0b0000000000000000;
//                  |||||||||||||||+-- ALTS:всегда использует MUX A входа
//                  ||||||||||||||+--- BUFM: один бафур на 16 регистров
//                  ||||||||||++++---- SMPI3:SMPI0: прерывание от каждого 1
//                  |||||||||+-------- не используется
//                  ||||||||+--------- BUFS: бит состояния
//                  ||||||++---------- не используется
//                  |||||+------------ CSCNA: сканирование входов выключено
//                  |||++------------- не используется
//                  +++--------------- VCFG2:VCFG0: опорное AVdd и AVss
        AD1CON1 = 0b1000000011100000;
//                  |||||||||||||||+-- DONE:
//                  ||||||||||||||+--- SAMP
//                  |||||||||||||+---- ASAM
//                  |||||||||||++----- не используется
//                  ||||||||+++------- SSRC2:SSRC0: от внутреннего тактового RC генератора запуск
//                  ||||||++---------- FORM1:FORM0: Целое (0000 00dd dddd dddd)
//                  |||+++------------ не используется
//                  ||+--------------- ADSIDL:Продолжить работу модуля в режиме ожидания
//                  |+---------------- не используется
//                  +----------------- ADON:1 - АЦП - включен
//----------------------------------------------------------------------

Эти строки позволяют настроить полностью АЦП и входы микроконтроллера, в этом примере мы задаем тактирование от внутреннего RC-генератора АЦП. В основном необходимые пояснения сделаны в комментариях.

Для преобразования числа в символы, будем использовать следующую функцию:

void bin_dec(int data,char mode,char vyv,char raz);

где, data число в диапазоне от -9999 до +32768
mode – положение десятичной точки 0- нет точки, 1-4 после 2-4 знакоместа
vyv – не печатать пустые знакоместа 0-печатать все 5 знакомест, 1-не печатать
raz – размер выводимых цифр 0/1-нормальные, 2-7 увеличение в соответствующее раз

Логика преобразования числа в символ простая, необходимо математически выделить число и преобразовать его в код

    // преобразование числа в символ
    dtys=data/10000+0x30;
    tysc=data%10000/1000+0x30;
    sotn=data%1000/100+0x30;
    dest=data%100/10+0x30;
    edin=data%10+0x30;

А теперь сам процесс измерения. Изменение будем проводить когда контроллер спит, чтобы уменьшить цифровой шум, это как один из вариантов работы, хотя можно было сделать вариант усреднение результатов измерения, благо 16 регистров имеется.

Первое включит прерывание от АЦП

        _AD1IE = 1;

Создадим функцию прерывания, только сброс бита прерывания

void __attribute__ ((__interrupt__, __auto_psv__)) _ADC1Interrupt(void)
{
    IFS0bits.AD1IF = 0;
}

И сам процесс измерения, один из вариантов

        AD1CON1bits.ASAM = 1; // запустить авто измерения
        Sleep ();
        Nop();
        AD1CON1bits.ASAM = 0;  // остановить

        ADCValue = ADC1BUF0;   // загрузить данные измерения из буфера
 //---------------------------

Запускаем автоматическое измерение и переходим в спящий режим, чтобы при измерении избавиться от цифрового шума микроконтроллера. Ждем прерывания от АЦП. По прерыванию микроконтроллер просыпается, сбрасывается флаг прерывания. Мы останавливаем измерение, считываем измеренное значение. Затем выводим полученное значение на дисплей и т.п. После этого весь процесс измерения повторяется.

Видео работы программы.

Проект, среда разработки MPLAB® X v1.70, компилятор С MPLAB XC16 v1.11.

10-бит, высокоскоростной, аналого-цифровой преобразователь, часть 1 1064 раз(а) скачали 72.81 KB

Download