【试用】从零设计电能表

发表于 2016-4-5 21:57

本帖最后由 jinyi7016 于 2016-4-6 09:52 编辑

这里吐槽一下，这么大的144的芯片就引出了这么几个引脚，太浪费了，就算要跟ardunio看齐，除了引脚，好像也没有什么其他可以与ardunio相关联了吧。

那几个LED布线拉了好长，还是沿板子最边上走的线，就近找个位置放一下也可以吧。

先上最后的组成图。

下载F207相关文件。

地址：http://gd32mcu.21ic.com/documents

下载GD-Link等等驱动。

下载Keil 5.13以上的版本，可以支持GD32F2xx的芯片。

前面已经下载了GD32F2xx的pack包，打开keil5，选择这个图标打开pack installer。

选择FileàImport…

再选择上Keil.GD32F2xx_DFP.1.0.0.pack进行安装。

安装完成后就可以找到GD32F207的芯片型号了。

新建工程。

ProjectàNew uVision Project

输入工程名，选择芯片型号为GD32F207ZE。

进行Target设置，在Debug窗口选择仿真的型号如下图：

GD32F2xx的源码在GD32F20x_Firmware_Library.rar里，要提前下载的。

添加头文件目录：

编译完成，没有错误：

为了提高编译速度，可以把源码编译成lib：

从启动文件中可以看到，已经在s文件中调用了系统的初始化函数，所以在我们的main函数中是不用再次调用的。

插上开发板，识别了驱动，在keil里，看到了仿真器的信息。

GPIO试水：

光盘里没有找到原理图，只是有个硬件手册；从手册上看到LED的GPIO号

GPIO配置：

RCC_APB2PeriphClock_Enable函数，使能时钟。

使用GPIO_InitPara结构体，GPIO模式、速度、引脚号设置。

GPIO_Init函数初始化引脚。

GPIO_SetBits函数，把GPIO置高电平。

GPIO_ResetBits函数，把GPIO置低电平。

程序如下：

复制

#include "main.h"



#define LED1(a) if (a)  \

                    GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_PIN_11);\

                    else    \

                    GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_PIN_11)



#define LED2(a) if (a)  \

                    GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_PIN_12);\

                    else    \

                    GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_PIN_12)



#define LED3(a) if (a)  \

                    GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_PIN_13);\

                    else    \

                    GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_PIN_13)



                                        

void GPIO_Configuration(void)

{    

    GPIO_InitPara GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClock_Enable(RCC_APB2PERIPH_GPIOD,ENABLE);



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_OUT_PP;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_50MHZ;

    GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);



}



int main(void)

{

        GPIO_Configuration();

        SysTick_Configuration();

        while (1){

        LED1(1);

        LED2(1);

        LED3(1);

       

        Delay_1ms(1000);



        LED1(0);

        LED2(0);

        LED3(0);

        

        Delay_1ms(1000);



        LED1(1);

        

        Delay_1ms(1000);



        LED2(1);

        LED1(0);

        Delay_1ms(1000);



        LED3(1);

        LED2(0);

        Delay_1ms(1000);



        

        LED3(0);

        Delay_1ms(1000);

    }

}

程序烧写后，三个灯开始闪烁，但是有一个问题。在keil中配置成烧写后复位但是并没有效果。还是要按一次复位按键。

可以看出与STM32的使用方法是一样的，这样移植起来就不会有什么困难了。

通过以上的试验，可以确定GD32的开发与STM32是基本相通的，那么接下来就是做一下原有项目的移植了。

串口的使用配置：

UART1通过 CH340 芯片，转 USB 接口连接 PC。

原理图部分如下：

串口使用的两个引脚是PB6、PB7，那么要对这两个引脚进行初始化：

复制

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin     = GPIO_PIN_6 ;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode    = GPIO_MODE_AF_PP;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed   = GPIO_SPEED_50MHZ;

    GPIO_Init( GPIOB , &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin     = GPIO_PIN_7;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode    = GPIO_MODE_IN_FLOATING;;

    GPIO_Init( GPIOB , &GPIO_InitStructure);



    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_REMAP_USART1, ENABLE);

之后就是对串口1的配置：

波特率选择的是115200，数据是8位，1个停止位，无校验。

复制

   USART_InitStructure.USART_BRR                 = 115200;

    USART_InitStructure.USART_WL                  = USART_WL_8B;

    USART_InitStructure.USART_STBits              = USART_STBITS_1;

    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_PARITY_RESET;

    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HARDWAREFLOWCONTROL_NONE;

    USART_InitStructure.USART_RxorTx              = USART_RXORTX_RX | USART_RXORTX_TX;

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);



    /* USART enable */

    USART_Enable(USART1, ENABLE);            

        USART_INT_Set(USART1, USART_INT_RBNE, ENABLE);

        

    /* Enable the USARTx Interrupt */

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQ = USART1_IRQn;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQPreemptPriority = 0;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQSubPriority = 0;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQEnable = ENABLE;

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

这里使用了串口1 的接收中断，从启动文件中可以找到，中断函数的名字是USART1_IRQHandler，在gd32F20x_it.c中新建这个函数。

先实现了最简单的loopback功能的中断服务函数：

复制

void USART1_IRQHandler(void)

{

        unsigned int temp;

        if(USART_GetIntBitState(USART1, USART_INT_RBNE) != RESET)

        {

                temp=USART_DataReceive(USART1);

                USART_DataSend(USART1, temp);

        }

         if(USART_GetIntBitState(USART1, USART_INT_TBE) != RESET)

    {   

        

      

        

        USART_INT_Set(USART1, USART_INT_TBE, DISABLE);

    

    }

}

定时器：

定时器的使用也是项目中所必须的。

对于GD32F207的定时器的定时功能与中断功能，没有在例程中找到，自己参考STM32写的。

首先是对定时器的配置：

使定时器2缺省状态。通过结构体TIM_TimeBaseStructure对定时器2初始化化。

复制

    TIMER_DeInit(TIMER2);

    TIM_TimeBaseStructure.TIMER_Prescaler         = 119;

    TIM_TimeBaseStructure.TIMER_CounterMode       = TIMER_COUNTER_UP;

    TIM_TimeBaseStructure.TIMER_Period            = 999;

    TIM_TimeBaseStructure.TIMER_ClockDivision     = TIMER_CDIV_DIV1;

    TIM_TimeBaseStructure.TIMER_RepetitionCounter = 1;

    TIMER_BaseInit(TIMER2,&TIM_TimeBaseStructure);

        

        TIMER_INTConfig(TIMER2,TIMER_INT_UPDATE,ENABLE);

        TIMER_CARLPreloadConfig(TIMER1,ENABLE);

    /* TIMER enable counter*/

    TIMER_Enable( TIMER2, ENABLE );

中断配置：

这是参考STM32写的，与STM32的库函数有一些区别。

复制

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQ = TIMER2_IRQn;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQPreemptPriority = 1;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQSubPriority = 1;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQEnable = ENABLE;

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

注意要添加中断服务函数。函数名与启动文件中的要一样。

SPI:

SPI 是与电能计量芯片通讯的，电压、电流、电能都是通过SPI口从电能计量芯片是读取出来的，这一部分也是很重要的。

电能计量芯片选用ATT7022E，它适用于三相三线和三相四线应用。ATT7022E集成了多路二阶sigma-deltaADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。详细数据定义请参阅参数寄存器部分。

ATT7022E与GD32F207的接线图为：

那么从数据手册中，找到SPI1对应的引脚，使用PA4作为片选CS引脚。

这四个引脚在板子上对应的位置为：

接下来就是在程序上对SPI1进行配置了。

首先是GPIO的配置：

复制

void SPI1_GPIO_Configuration(void)

{

  

    GPIO_InitPara  GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_5 |GPIO_PIN_7; 

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_50MHZ;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_AF_PP;                      

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_6 ;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_IN_FLOATING;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_4;                              

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_50MHZ;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_OUT_PP;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    

    

}

与STM32不同的是，在STM32中，SCLK、MOSI、MISO都配置成了GPIO_Mode_AF_PP，但是GD32的MISO却是GPIO_MODE_IN_FLOATING。

对SPI的配置如下：

复制

   SPI_InitPara  SPI_InitStructure;

    SPI_InitStructure.SPI_TransType = SPI_TRANSTYPE_FULLDUPLEX;

    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_MODE_MASTER;

    SPI_InitStructure.SPI_FrameFormat = SPI_FRAMEFORMAT_8BIT;

    SPI_InitStructure.SPI_SCKPL = SPI_SCKPL_LOW;

    SPI_InitStructure.SPI_SCKPH = SPI_SCKPH_1EDGE;

    SPI_InitStructure.SPI_SWNSSEN = SPI_SWNSS_SOFT;

    SPI_InitStructure.SPI_PSC = SPI_PSC_64; 

    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;

    SPI_InitStructure.SPI_CRCPOL = 7;

  

    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    SPI_Enable(SPI1, ENABLE);

有好多的宏定义也STM32的，与GD32F103的都不同了，要移植原有的程序，还是要再费点功夫的。

使用查询对SPI进行字节读写的程序：

复制

        while(SPI_I2S_GetBitState(SPI3, SPI_FLAG_TBE) == RESET);

        SPI_I2S_SendData(SPI3,data);

        

        while (SPI_I2S_GetBitState(SPI3, SPI_FLAG_RBNE) == RESET);

        return SPI_I2S_ReceiveData(SPI3);

接下来就是对ATT7022E的操作了，要读取ATT7022E中的数据，也要向ATT7022E中写入数据时行配置，使ATT7022E能正常的工作。那么最基本的就是对ATT7022E的寄存器进行读写了。

以下是ATT7022E的SPI读取数据的时序图，先发送8位的寄存器地址，再接收24位的寄存器数据。由于ATT7022E的数据寄存器是24位的，所以读取时是按32位数据进行处理的，最高8位为0。

对应的程序为：

复制

        union{unsigned char bit[4];unsigned int all;}temp;

        ATT7022E_CS(0);  

        SPI3_ReadWritebit(addr);

        temp.bit[3]=0;

        temp.bit[2]=SPI3_ReadWritebit(0);//H

        temp.bit[1]=SPI3_ReadWritebit(0);

        temp.bit[0]=SPI3_ReadWritebit(0);//L

        

        

        ATT7022E_CS(1);  

        return temp.all;

以下是ATT7022E的写寄存器的时序图，先发送8位的寄存器地址，再发送16位的寄存器数据。这里是ATT手册的错误，它的配置寄存器都是16位的，这里只要发送16位的寄存器数据就可以了。

无标题.png

对应的程序为：

复制

        union{unsigned char bit[2];unsigned short int all;}temp; 

        temp.all=data;

        ATT7022E_CS(0);   

        SPI3_ReadWritebit(addr);

        SPI3_ReadWritebit(0x00);

        SPI3_ReadWritebit(temp.bit[1]);

        SPI3_ReadWritebit(temp.bit[0]);

        ATT7022E_CS(1);

对ATT7022E配置时，最好是关掉中断，等配置完成了再打开中断，防止配置过程中出现问题，导致ATT7022E工作不正常。

复制

TIMER_INTConfig(TIMER2,TIMER_INT_UPDATE,DISABLE);

USART_INT_Set(USART1, USART_INT_RBNE, DISABLE);

楼下继续......

发表于 2016-4-5 21:58

本帖最后由 jinyi7016 于 2016-4-5 22:08 编辑

要配置的寄存器有：相线、信号放大倍数、脉冲使能、脉冲常数以及校表数据。

首先对芯片进行复位。

配置开三相电压、电流，femu=921.6kHz;数据慢速更新，打开ref的chop，打开adc的chop。

电流放大1倍，电压不放大。

开CF1\CF2\CF3\CF4计量功能，关谐波功能。

ADC采样数据来于未经高通的原始数据，ADC采样14.4K，PQS方式计量。

关BOP，关TPS，关第七路高通。

写入高频脉冲常数HFconst。

写入各相的电压、电流校表系数。

程序如下：

复制

        RST_ATT_L

        Delay_by_for(0XFFFF);

        RST_ATT_H

        Delay_by_for(0X1fFFFF);

        SPI3_ReadWritebit(0X81,0Xb97E);

        SPI3_ReadWritebit(0X82,0X0055);

        SPI3_ReadWritebit(0X83,0Xf884);

        SPI3_ReadWritebit(0XB1,0X3406);

        SPI3_ReadWritebit(0X9E,HFconst);

        

        Delay_by_for(0X1FFFF);

        Delay_by_for(0X1FFFF);

        Delay_by_for(0X1FFFF);

        Delay_by_for(0X1FFFF);

        

        

        SPI3_ReadWritebit(0x84,data_temp[0]);

        SPI3_ReadWritebit(0x87,data_temp[1]);

        SPI3_ReadWritebit(0x8a,data_temp[2]);

                                

                        

        SPI3_ReadWritebit(0x85,data_temp[3]);

        SPI3_ReadWritebit(0x88,data_temp[4]);

        SPI3_ReadWritebit(0x8b,data_temp[5]);

                                

        SPI3_ReadWritebit(0x86,data_temp[6]);

        SPI3_ReadWritebit(0x89,data_temp[7]);

        SPI3_ReadWritebit(0x8c,data_temp[8]);

                

        SPI3_ReadWritebit(0x9a,data_temp[9]);

        SPI3_ReadWritebit(0x9b,data_temp[10]);

        SPI3_ReadWritebit(0x9c,data_temp[11]);

        SPI3_ReadWritebit(0x97,data_temp[12]);

        SPI3_ReadWritebit(0x98,data_temp[13]);

        SPI3_ReadWritebit(0x99,data_temp[14]);

而对于校表，校表流程如下：

1、模式配置寄存器(0x01)写入： 0xB97E 。开启 Vref Chopper 功能提升 Vref 性能；开启功率有效值慢速模式，减小跳动；配置 EMU 时钟 921.6kHz，降低功耗；开启 6 路 ADC，关闭 In 通道。

2、EMU 单元配置寄存器(0x03)写入：0xF804。开启能量计量，使用功率作为潜动起动依据，关闭基波功能，视在功率能量选择 PQS 方式。

3、模拟模块使能寄存器(0x31)写入： 0x3427，开启高通滤波器；开启 BOR 电源监测电路。

4、写入 HFconst 参数(同一款表写入同样的 HFconst 值)：根据输入信号电压计算

HFConst＝INT[25920000000*G*G*Vu*Vi/(EC*Un*Ib)]

5、功率增益校正

6、相位校正

7、电压、电流有效值校正

ATT7022E的配置与校表寄存器以及其含意如下：

配置完了，校表完了，就是通过寄存器读取电压、电流、功率等数据了。

ATT7022E的数据寄存器比较多，这里例举几个：

通过寄存器读取的数据并是不实际上的具有物理意义的量，是要通过转换的。

就以电压、电流有效值为例：

有效值寄存器采用补码形式给出，最高位是符号位，有效值总是大于或者等于0，所以有效值的符号位始终为0。

分相Vrms： 24位数据，补码形式
实际分相电压有效值为： Urms = Vrms/2^13
实际分相电流有效值为： Irms = (Vrms/2^13)/N
（比例系数N定义：额定电流Ib输入到芯片端取样电压为50mV时，对应的电流有效值寄存器值为Vrms， Vrms/2^13约等于60，此时N=60/Ib， Ib=1.5A， N=60/1.5=40， Ib=6A， N=60/6=10。同理，当输入到芯片端取样电压为25mV时， Vrms/2^13约等于30， Ib=1.5A， N=30/1.5=20， Ib=6A，N=30/6=5。可根据当前Ib电流的实际值，计算N值。）
合相Vrms： 24位数据，补码形式
实际合相电压有效值为： Urms=Vrms/2^12
实际合相电流有效值为： Irms = (Vrms/2^12)/N (N为比例系数，计算方法同上)

单位为：伏特(V)或者安培(A)。

功率因数的计算方法为：