MiniSTM32F103实现家庭普通电路中的电流谐波检测
前言：本人大二小白一个，通过一些小项目来充实下自己，不断学习，希望能与大家多多交流~
接下来主要分为代码设计和实际采集操作过程两部分来讲讲
配置MiniSTM32的TIM2、ADC和DMA，利用TIM2产生矩形波，在上升沿触发ADC采集，可通过控制矩形波的周期来控制采样频率fs,然后由DMA把采集到的数据送入内存，共采集256个点。
个人认为用库函数配置板子上的外设比较简单，把是什么、怎么用这两方面搞清楚就行了，可参考正点原子的教学视频。
代码如下：
#include "adc.h"
volatile uint16_t ADC_ConvertedValue[256]; //ADC采样的数据
u16 DMA1_MEM_LEN;
extern complex x[N];
#define ADC1_DR_Address ((u32)0x4001244C) //ADC1的地址
//TIM2配置，arr为重加载值，psc为预分频系数
void TIM2_Init(u16 arr,u16 psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //时钟使能
//定时器TIM2初始化
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 10;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出极性:TIM输出比较极性低
TIM_OC2Init(TIM2, & TIM_OCInitStructure); //初始化外设TIM2_CH2
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2
}
//DMA1配置
void DMA1_Config()
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE); //使能ADC1通道时钟
DMA1_MEM_LEN = 256;
//DMA1初始化
DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address; //ADC1地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&ADC_ConvertedValue; //内存地址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //方向(从外设到内存)
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 256; //传输的数据量
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址固定
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址固定
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord ; //外设数据单位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord ; //内存数据单位
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular ; //DMA模式：循环传输
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High ; //优先级：高
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //禁止内存到内存的传输
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure); //配置DMA1
}
void DMA1_Enable()
{
DMA_Cmd(DMA1_Channel1,DISABLE);
DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel1,DMA1_MEM_LEN);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);
}
void Adc_Init()
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能GPIOA时钟
//PA6 作为模拟通道输入引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
ADC_DeInit(ADC1); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
//ADC1初始化
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //独立ADC模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //关闭扫描方式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //关闭连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; //使用外部触发模式
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //采集数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //要转换的通道数目
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //配置ADC时钟，为PCLK2的6分频，即12MHz，（239.5+12.5）/12Mhz=21us
ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1); //复位校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准寄存器复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1); //ADC校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准完成
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); //配置ADC1通道6为239.5个采样周期 ,采样周期为21us
ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE); //设置外部昂一触发模式使能
}
FFT算法
FFT是最重要，也是最难懂的。由于论述篇幅太长，这里就不说了，请看另一篇文章：对于FFT和DFT的理解
这里给出实现FFT的代码：
#include "sys.h"
#include "fft.h"
complex x[N],W[N];//分别为输入序列，变换核
void RaderReverse()
{
u16 i,j,k;
//第一个和最后一个数位置不变，故不处理
for(i=1,j=N/2; i<N-1; ++i)
{
//原始坐标小于变换坐标才交换，防止重复
if(i<j)
{
complex temp = x[j];
x[j] = x[i];
x[i] = temp;
}
k = N/2; // 用于比较最高位
while(k <= j)
{ // 位判断为1
j = j-k;// 该位变为0
k = k/2;// 用于比较下一高位
}
j = j+k;// 判断为0的位变为1
}
}
void fft()
{
int i=0,j=0,k=0,l=0;
complex up,down,product;
RaderReverse();
//w是蝶形系数
for(int i=0;i<N;++i)
{
W[i].real = cos((2*M_PI*i)/N);
W[i].img = -sin((2*M_PI*i)/N);
}
for(i=0; i<log(N)/log(2); ++i) /*log(n)/log(2) 级蝶形运算 stage */
{
l = 1<<i;
for(j=0;j<N;j+= 2*l) /*一组蝶形运算 group,每组group的蝶形因子乘数不同*/
{
for(k=0;k<l;++k) /*一个蝶形运算 每个group内的蝶形运算的蝶形因子乘数成规律变化*/
{
//product = x[j+k+l]*W[n*k/2/l]; //一次乘法
mul(x[j+k+l], W[N*k/2/l], &product);
// up = x[j+k] + product; //一次加法，得蝶形变换上半部分输出
// down = x[j+k] - product;//一次减法，得蝶形变换下半部分输出
add(x[j+k], product, &up);
sub(x[j+k], product, &down);
x[j+k] = up;//不占用新的空间，将结果输出储存在输入的位置
x[j+k+l] = down;
}
}
}
}
//寻找基波、高次谐波对应的点
double Amplitude[6], Phase[6];//基波幅值, 相位
volatile u16 j, m, k;//已知基波频率,采样频率，采样总点数
double I2,I1;
void Calculate_Wave()
{
volatile double Max_Amplitude = 0.0;
volatile double t =0.0;
// m = j*256/4339+1;//计算基波频率对应的点
// m = 0;
//计算直流分量
Amplitude[0] = (sqrt(x[0].real*x[0].real+x[0].img*x[0].img))/256;//基波对应的点
Phase[0] = 180*atan2(x[0].img, x[0].real)/M_PI;
for(k=1; k Max_Amplitude)
{
Max_Amplitude = t;
j = k;
}
}
if(j != 0)
{
for(k=1; kreal=a.real+b.real;
c->img=a.img+b.img;
}
void mul(complex a,complex b,complex *c) //复数乘法计算
{
c->real=a.real*b.real - a.img*b.img;
c->img=a.real*b.img + a.img*b.real;
}
void sub(complex a,complex b,complex *c) //复数减法计算
{
c->real=a.real-b.real;
c->img=a.img-b.img;
}
处理FFT点
把时域信号变换到频域，最重要的三个量是频率、幅值和相位，如何根据FFT的结果算得这三个量？
例如某点n所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N，n是第n个点，Fs是采样频率，N是采集点数，Fs/N又称为频率分辨率，如果采样频率Fs为256Hz，采样点数为256点，则可以分辨到1Hz。
FFT后某点n是复数（a+bi的形式）
幅值：每一个点对应一个频率，幅值指的是在该频率下信号分量的幅值。假设原始信号的峰值为A，那么FFT 结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是A的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是原直流分量幅值的N倍。
相位：Pn=atan2(b,a)，也就是arctan，反正切求得相角。
这里需要说明的是： FFT后得到的相位实际上是cos（）的相位，因为这个FFT过程，根据惯例设定cos（x）的初始相位为0，sin(x)的初始相位为-90°。
直流分量频率为0，FFT后对应的是第一个频率点，直接计算即可。
如何寻找基波？结合频谱图特性来看，基波的幅值是最大的，所以在这里采用的方法是寻找幅值最大所对应的频率点，该频率点对应的频率即是基波频率，由于已知市电的频率为50Hz，所以这里为了节省计算量只在前52个点里面找幅值最大的点。
已知基波，那么谐波频率是基波频率的整数倍，可直接算出相关的频率点。
由于测试对象是家庭普通电路，需要用到开口式电流互感器，非接触式，直接夹在单根火线或者零线上。
互感器二次侧电阻越小越好，因为这里ADC+电阻的组合其实相当于一个电流表，互感器处于工作状态时，二次侧接近短路。
ADC所读取的值就是采集点值，FFT后通过流压关系（欧姆定律）和变比关系即可推出一次侧原电路的电流值。
1.这里需要注意，一般的家用电器（至少我家的是）火线零线都是合并在一条线里面的，用一根粗电线来包含单独的火线零线，电流互感器直接测这跟粗电线是测不到数据的，因为互感器（变压器）的原理是利用电流激发的磁场效应，如果互感器同时测火线零线，电流激发的磁场相互抵消，互感器不工作。
2.电流互感器的电流变比不要过大，比如我用的是1000/5A的，变比200，用来测只有最大只有几十安的电路不合适，因为二次侧的电流太小了，影响ADC采集。为了增大二次侧电流，我采用的方法是增加一次侧缠绕匝数，从原本的单根火线穿入改成两根火线穿入（还是同一根火线），匝数比从原来的1：200变成了2：200，电流变比降低到了100，这样二次侧的电流就增大了。
作者：ddddddddddda
