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使用MCP3910和STM32F103RB掌握电力分析的精髓

电压,电流,无所不能

PWR Meter 2 click with Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

PWR Meter 2 click

开发板

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F103RB

我们的突破性电力监控解决方案旨在提供无与伦比的电压和电流值测量和监控精度,确保您的电力系统的最佳性能和效率。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

PWR Meter 2 Click 基于 Microchip 的 MCP3910,这是一款集成的双通道模拟前端(AFE)设备。该 IC 由多个部分组成,旨在精确捕获输入电压。使用内部 1.2V 参考电压的两个 Σ-Δ 输入 A/D 转换器,具有非常低的热漂移,将测量噪声降至最低,信噪比(SNR)高达 96dB。输入 ADC 可完全配置,可以设置为 16 位或 24 位模式,可以使用 32 倍到 4096 倍的过采样比,增益比从 1 倍到 32 倍,并为每个 ADC 通道提供 24 位数字偏移和增益误差校正。Click board™ 由 20MHz 晶体时钟驱动。然而,用户需要根据 MCP3910 的数据手册正确设置预分频器。包含的库提供了正确设置的功能。高时钟速度允许使用最大过采样率(OSR),从而获得最佳性能,但同时消耗更多功率。电压和电流读数通过 MCP3910 的两个差分 ADC 输入通道执行。CH0(通道 0)连接到电阻分压器,当输入电压为 24V 时,允许其测量高达

 0.6V 的电压,这是输入端子的最大电压。尽管 ADC 通道上的差分输入电压可以达到 ±2V,但制造商建议保持在 ±0.6V 以内,以实现最佳谐波失真和噪声比,这可能会影响测量精度。CH1(通道 1)差分输入连接到 0.03Ω 的分流电阻。ADC 测量的小电压降允许测量高达 5A 的电流。超过 5A 可能会损坏分流电阻,因此不建议超过 5A。通过将负载与 Click board™ 串联连接来进行电流测量,因此 0.03Ω 的分流值不会引入显著误差或影响通过负载的电流。测量是使用所谓的开尔文连接进行的,其中主导线携带大部分电流,而细导线用于测量分流器上的电压,从而减少通过 IC 自身的 ADC 部分的电流。额外的 270Ω 电阻进一步减少了通过 ADC 的电流。MCP3910 包含多个附加引脚,用于简化实现并减少固件应用程序的繁琐程度。数据准备引脚可用于在转换数据准备好读取时触发主 MCU 上的中断事件。这极大地简化了

 MCU 的性能,避免了必须轮询状态位以确定数据是否准备好的情况。数据准备引脚连接到 mikroBUS™ 的 INT 引脚,标记为 DR。两个调制器输出引脚也连接到 mikroBUS™。这些引脚提供直接来自 Δ-Σ 调制器的 1 位数据输出,用于用户定义的 MCU 或 DSP 过滤,覆盖内部 SINC 过滤器,如果激活这些引脚,则关闭内部 SINC 过滤器。启用这些引脚时,DR 引脚也被禁用。MDAT0 和 MDAT1 引脚提供来自 ADC 通道 0 和 ADC 通道 1 的调制器输出。这些引脚连接到 mikroBUS™ 的 PWM 和 AN 引脚,分别标记为 MDT0 和 MDT1。如前所述,Click board™ 提供测量来自 mikroBUS™ 的内部电源或外部高达 24V 和 5A 的电源。要选择测量目标,应将标记为 INPUT SEL 的 SMD 跳线切换到所需位置。

PWR Meter 2 click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F103RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于  ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M3

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

20480

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Modulator Output 1
PC0
AN
Reset
PC12
RST
SPI Chip Select
PB12
CS
SPI Clock
PB3
SCK
SPI Data OUT
PB4
MISO
SPI Data IN
PB5
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Modulator Output 0
PC8
PWM
Data Ready
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
NC
NC
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

PWR Meter 2 click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F103RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Board mapper by product8 hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

软件支持

库描述

此库包含 PWR Meter 2 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • pwrmeter2_get_data - 获取计算的电压(V)、电流(A)和功率(W)数据的功能

  • pwrmeter2_write_reg - 向寄存器写入 24 位数据的功能

  • pwrmeter2_read_reg - 从寄存器读取所需数量的 24 位数据的功能

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * \file 
 * \brief PwrMeter Click example
 * 
 * # Description
 * This Click is capable of measuring voltage and current through the load, connected to either 
 * AC or DC power source. It is used to calculate all the measurement parameters, returning 
 * values of multiple power parameters directly, over the UART interface, reducing the processing 
 * load on the host MCU. These parameters include active, reactive, and apparent power, current 
 * and voltage RMS, line frequency, and power factor.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initializes UART interface, puts output of regulator in active state and
 * configures gain channel and uart baud rate.
 * 
 * ## Application Task  
 * Reads voltage, current and power measurements from data registers, then converts this values
 * to determined units and logs all results on uart terminal each second.
 * 
 * ## Additional Function
 * - void check_response ( ) - Displays an appropriate message on USB UART 
 * if there's an error occurred in the last response from the module.
 * 
 * ## Note
 * Do not apply higher voltage than 60V to this board! This Click is designed for lower voltage 
 * monitoring and evaluation of the MCP39F511A and its basic functionalities. 
 * 
 * \author MikroE Team
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "pwrmeter.h"
#include "string.h"
#include "math.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES


static pwrmeter_t pwrmeter;
static log_t logger;

PWRMETER_RETVAL response_byte;
uint16_t voltage_rms;
uint32_t current_rms;
uint32_t active_power;
uint32_t reactive_power;
uint32_t apparent_power;
int32_t power_factor;
uint8_t status_byte;

float meas_data[ 6 ];

// ------------------------------------------------------- ADDITIONAL FUNCTIONS

void check_response ( )
{
    if ( response_byte != PWRMETER_SUCCESSFUL )
    {
        switch ( response_byte )
        {
            case PWRMETER_ADDRESS_FAIL :
            {
                log_printf( &logger, "Wrong address parameter\r\n" );
            break;
            }
            case PWRMETER_CHECKSUM_FAIL :
            {
                log_printf( &logger, "Checksum fail\r\n" );
            break;
            }
            case PWRMETER_COMMAND_FAIL :
            {
                log_printf( &logger, "Command can't be performed\r\n" );
            break;
            }
            case PWRMETER_NBYTES_FAIL :
            {
                log_printf( &logger, "Number of bytes is out of range\r\n" );
            break;
            }
            case PWRMETER_PAGE_NUM_FAIL :
            {
                log_printf( &logger, "Page number is out of range\r\n" );
            break;
            }
            default :
            {
            break;
            }
        }
    }
}

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    pwrmeter_cfg_t cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );
    Delay_ms ( 100 );

    //  Click initialization.

    pwrmeter_cfg_setup( &cfg );
    PWRMETER_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    pwrmeter_init( &pwrmeter, &cfg );
    Delay_ms ( 500 );
    
    pwrmeter_enable( &pwrmeter, PWRMETER_ENABLE );
    Delay_ms ( 100 );
    
    response_byte = pwrmeter_write_reg_dword ( &pwrmeter, PWRMETER_SYS_CONFIG_REG, PWRMETER_VOLT_GAIN_1 | PWRMETER_CURR_GAIN_8 | PWRMETER_UART_BR_9600 );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_send_command( &pwrmeter, PWRMETER_SAVE_TO_FLASH_COMM );
    check_response( );

    log_printf( &logger, "PWR Meter is initialized\r\n" );
    Delay_ms ( 100 );
}

void application_task ( void )
{
    response_byte = pwrmeter_read_reg_word( &pwrmeter, PWRMETER_VOLT_RMS_REG, &voltage_rms );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_read_reg_dword( &pwrmeter, PWRMETER_CURR_RMS_REG, &current_rms );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_read_reg_dword( &pwrmeter, PWRMETER_ACTIVE_PWR_REG, &active_power );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_read_reg_dword( &pwrmeter, PWRMETER_REACTIVE_PWR_REG, &reactive_power );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_read_reg_dword( &pwrmeter, PWRMETER_APPARENT_PWR_REG, &apparent_power );
    check_response( );
    response_byte = pwrmeter_read_reg_signed( &pwrmeter, PWRMETER_PWR_FACTOR_REG, PWRMETER_16BIT_DATA, &power_factor );
    check_response( );
    
    meas_data[ 0 ] = ( float ) voltage_rms / 100;
    meas_data[ 1 ] = ( float ) current_rms / 1000;
    meas_data[ 2 ] = ( float ) active_power / 100000;
    meas_data[ 3 ] = ( float ) reactive_power / 100000;
    meas_data[ 4 ] = ( float ) apparent_power / 100000;
    meas_data[ 5 ] = ( float ) power_factor / 32767;
    
    response_byte = pwrmeter_get_status( &pwrmeter, &status_byte );
    check_response( );
    
    if ( ( status_byte & PWRMETER_DCMODE_MASK ) != 0 )
    {
        log_printf( &logger, "DC mode\r\n" );
    }
    else
    {
        log_printf( &logger, "AC mode\r\n" );
    }
    

    log_printf( &logger, "RMS voltage:  " );
    if ( ( ( status_byte & PWRMETER_DCMODE_MASK ) != 0) && ( ( status_byte & PWRMETER_DCVOLT_SIGN_MASK ) == 0 ) )
    {
        log_printf( &logger, "-" );
    }
    log_printf( &logger, "%.2f[ V ]\r\n", meas_data[ 0 ] );
    
    
    log_printf( &logger, "RMS current:  " );
    if ( ( ( status_byte & PWRMETER_DCMODE_MASK ) != 0 ) && ( ( status_byte & PWRMETER_DCCURR_SIGN_MASK ) == 0 ) )
    {
        log_printf( &logger, "-" );
    }
    log_printf( &logger, "%.2f[ mA ]\r\n", meas_data[ 1 ] );
    
    
    log_printf( &logger, "Active power:  " );
    if ( ( status_byte & PWRMETER_PA_SIGN_MASK ) == 0 )
    {
        log_printf( &logger, "-" );
    }
    log_printf( &logger, "%.2f[ W ]\r\n", meas_data[ 2 ] );
    
    
    log_printf( &logger, "Reactive power:  " );
    if ( ( status_byte & PWRMETER_PR_SIGN_MASK ) == 0 )
    {
        log_printf( &logger, "-" );
    }
    log_printf( &logger, "%.2f[ VAr ]\r\n", meas_data[ 3 ] );
    
   
    log_printf( &logger, "Apparent power:  " );
    log_printf( &logger, "%.2f[ VA ]\r\n", meas_data[ 4 ] );

    
    log_printf( &logger, "Power factor:  %.2f\r\n", meas_data[ 5 ] );
    log_printf( &logger, "-----------------------------------\r\n" );
    
    Delay_ms ( 1000 );
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}


// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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