前言：本人大二小白一個(gè)，通過一些小項(xiàng)目來充實(shí)下自己，不斷學(xué)習(xí)，希望能與大家多多交流~

接下來主要分為代碼設(shè)計(jì)和實(shí)際采集操作過程兩部分來講講

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• 代碼設(shè)計(jì)
• • 程序流程圖
  • 配置TIM2、ADC和DMA
  • FFT算法
  • 處理FFT點(diǎn)
  • 尋找直流分量、基波和諧波
• 采集過程
• • 采集方式
  • 碰到的問題

代碼設(shè)計(jì)

程序流程圖

配置MiniSTM32的TIM2、ADC和DMA，利用TIM2產(chǎn)生矩形波，在上升沿觸發(fā)ADC采集，可通過控制矩形波的周期來控制采樣頻率fs,然后由DMA把采集到的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存，共采集256個(gè)點(diǎn)。

配置TIM2、ADC和DMA

個(gè)人認(rèn)為用庫函數(shù)配置板子上的外設(shè)比較簡單，把是什么、怎么用這兩方面搞清楚就行了，可參考正點(diǎn)原子的教學(xué)視頻。
代碼如下：

#include "adc.h"volatile uint16_t ADC_ConvertedValue[256]; //ADC采樣的數(shù)據(jù) u16 DMA1_MEM_LEN; extern complex x[N]; #define ADC1_DR_Address ((u32)0x4001244C) //ADC1的地址//TIM2配置，arr為重加載值，psc為預(yù)分頻系數(shù) void TIM2_Init(u16 arr,u16 psc) {TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //時(shí)鐘使能//定時(shí)器TIM2初始化TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重裝載寄存器周期的值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設(shè)置用來作為TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設(shè)置時(shí)鐘分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計(jì)數(shù)模式TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根據(jù)指定的參數(shù)初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //選擇定時(shí)器模式:TIM脈沖寬度調(diào)制模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 10;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //輸出極性:TIM輸出比較極性低TIM_OC2Init(TIM2, & TIM_OCInitStructure); //初始化外設(shè)TIM2_CH2TIM_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通道時(shí)鐘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; //內(nèi)存地址DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //方向(從外設(shè)到內(nèi)存)DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 256; //傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外設(shè)地址固定DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //內(nèi)存地址固定DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord ; //外設(shè)數(shù)據(jù)單位DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord ; //內(nèi)存數(shù)據(jù)單位DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular ; //DMA模式：循環(huán)傳輸DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High ; //優(yōu)先級：高DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //禁止內(nèi)存到內(nèi)存的傳輸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時(shí)鐘//PA6 作為模擬通道輸入引腳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); //復(fù)位ADC1,將外設(shè) ADC1 的全部寄存器重設(shè)為缺省值//ADC1初始化ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //獨(dú)立ADC模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //關(guān)閉掃描方式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //關(guān)閉連續(xù)轉(zhuǎn)換模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; //使用外部觸發(fā)模式ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //采集數(shù)據(jù)右對齊ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //要轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //配置ADC時(shí)鐘，為PCLK2的6分頻，即12MHz，（239.5+12.5）/12Mhz=21usADC_Cmd(ADC1,ENABLE);ADC_ResetCalibration(ADC1); //復(fù)位校準(zhǔn)寄存器while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校準(zhǔn)寄存器復(fù)位完成ADC_StartCalibration(ADC1); //ADC校準(zhǔn)while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校準(zhǔn)完成ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); //配置ADC1通道6為239.5個(gè)采樣周期 ,采樣周期為21usADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE); //設(shè)置外部昂一觸發(fā)模式使能 }

FFT算法

FFT是最重要，也是最難懂的。由于論述篇幅太長，這里就不說了，請看另一篇文章：對于FFT和DFT的理解
這里給出實(shí)現(xiàn)FFT的代碼：

#include "sys.h" #include "fft.h"complex x[N],W[N];//分別為輸入序列，變換核void RaderReverse() {u16 i,j,k;//第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)位置不變，故不處理for(i=1,j=N/2; i<N-1; ++i) {//原始坐標(biāo)小于變換坐標(biāo)才交換，防止重復(fù)if(i<j){complex temp = x[j];x[j] = x[i];x[i] = temp;}k = N/2; // 用于比較最高位while(k <= j){ // 位判斷為1j = j-k;// 該位變?yōu)?k = k/2;// 用于比較下一高位}j = j+k;// 判斷為0的位變?yōu)?} } void fft() {int i=0,j=0,k=0,l=0;complex up,down,product;RaderReverse();//w是蝶形系數(shù)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) 級蝶形運(yùn)算 stage */ {l = 1<<i;for(j=0;j<N;j+= 2*l) /*一組蝶形運(yùn)算 group,每組group的蝶形因子乘數(shù)不同*/ {for(k=0;k<l;++k) /*一個(gè)蝶形運(yùn)算 每個(gè)group內(nèi)的蝶形運(yùn)算的蝶形因子乘數(shù)成規(guī)律變化*/ {//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，得蝶形變換上半部分輸出 // down = x[j+k] - product;//一次減法，得蝶形變換下半部分輸出add(x[j+k], product, &up);sub(x[j+k], product, &down);x[j+k] = up;//不占用新的空間，將結(jié)果輸出儲(chǔ)存在輸入的位置x[j+k+l] = down;}}} }//尋找基波、高次諧波對應(yīng)的點(diǎn) double Amplitude[6], Phase[6];//基波幅值, 相位 volatile u16 j, m, k;//已知基波頻率,采樣頻率，采樣總點(diǎn)數(shù) double I2,I1; void Calculate_Wave() {volatile double Max_Amplitude = 0.0;volatile double t =0.0;// m = j*256/4339+1;//計(jì)算基波頻率對應(yīng)的點(diǎn) // m = 0;//計(jì)算直流分量Amplitude[0] = (sqrt(x[0].real*x[0].real+x[0].img*x[0].img))/256;//基波對應(yīng)的點(diǎn)Phase[0] = 180*atan2(x[0].img, x[0].real)/M_PI;for(k=1; k<52; k++){t = sqrt(x[k].real*x[k].real +x[k].img*x[k].img)/128;if(t > Max_Amplitude){Max_Amplitude = t;j = k;}}if(j != 0){for(k=1; k<6; k++){m = k*j;//計(jì)算頻率j對應(yīng)的點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)為基波頻率Amplitude[k] = (sqrt(x[m].real*x[m].real+x[m].img*x[m].img))/128;//高次諧波對應(yīng)的點(diǎn)Phase[k] = 180*atan2(x[m].img, x[m].real)/M_PI;}} I2 = (Amplitude[0] + Amplitude[1]*0.7071)/R;I1 = I2 * 100; }void add(complex a,complex b,complex *c) //復(fù)數(shù)加法計(jì)算 {c->real=a.real+b.real;c->img=a.img+b.img; }void mul(complex a,complex b,complex *c) //復(fù)數(shù)乘法計(jì)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) //復(fù)數(shù)減法計(jì)算 {c->real=a.real-b.real;c->img=a.img-b.img; }

處理FFT點(diǎn)

把時(shí)域信號變換到頻域，最重要的三個(gè)量是頻率、幅值和相位，如何根據(jù)FFT的結(jié)果算得這三個(gè)量？

例如某點(diǎn)n所表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N，n是第n個(gè)點(diǎn)，Fs是采樣頻率，N是采集點(diǎn)數(shù)，Fs/N又稱為頻率分辨率，如果采樣頻率Fs為256Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)，則可以分辨到1Hz。
FFT后某點(diǎn)n是復(fù)數(shù)（a+bi的形式）
幅值：每一個(gè)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)頻率，幅值指的是在該頻率下信號分量的幅值。假設(shè)原始信號的峰值為A，那么FFT?結(jié)果的每個(gè)點(diǎn)（除了第一個(gè)點(diǎn)直流分量之外）的模值就是A的N/2倍。而第一個(gè)點(diǎn)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。
這里需要說明的是： FFT后得到的相位實(shí)際上是cos（）的相位，因?yàn)檫@個(gè)FFT過程，根據(jù)慣例設(shè)定cos（x）的初始相位為0，sin(x)的初始相位為-90°。

尋找直流分量、基波和諧波

直流分量頻率為0，FFT后對應(yīng)的是第一個(gè)頻率點(diǎn)，直接計(jì)算即可。
如何尋找基波？結(jié)合頻譜圖特性來看，基波的幅值是最大的，所以在這里采用的方法是尋找幅值最大所對應(yīng)的頻率點(diǎn)，該頻率點(diǎn)對應(yīng)的頻率即是基波頻率，由于已知市電的頻率為50Hz，所以這里為了節(jié)省計(jì)算量只在前52個(gè)點(diǎn)里面找幅值最大的點(diǎn)。
已知基波，那么諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍，可直接算出相關(guān)的頻率點(diǎn)。

采集過程

采集方式

由于測試對象是家庭普通電路，需要用到開口式電流互感器，非接觸式，直接夾在單根火線或者零線上。

互感器二次側(cè)電阻越小越好，因?yàn)檫@里ADC+電阻的組合其實(shí)相當(dāng)于一個(gè)電流表，互感器處于工作狀態(tài)時(shí)，二次側(cè)接近短路。
ADC所讀取的值就是采集點(diǎn)值，FFT后通過流壓關(guān)系（歐姆定律）和變比關(guān)系即可推出一次側(cè)原電路的電流值。

碰到的問題

1.這里需要注意，一般的家用電器（至少我家的是）火線零線都是合并在一條線里面的，用一根粗電線來包含單獨(dú)的火線零線，電流互感器直接測這跟粗電線是測不到數(shù)據(jù)的，因?yàn)榛ジ衅?#xff08;變壓器）的原理是利用電流激發(fā)的磁場效應(yīng)，如果互感器同時(shí)測火線零線，電流激發(fā)的磁場相互抵消，互感器不工作。
2.電流互感器的電流變比不要過大，比如我用的是1000/5A的，變比200，用來測只有最大只有幾十安的電路不合適，因?yàn)槎蝹?cè)的電流太小了，影響ADC采集。為了增大二次側(cè)電流，我采用的方法是增加一次側(cè)纏繞匝數(shù)，從原本的單根火線穿入改成兩根火線穿入（還是同一根火線），匝數(shù)比從原來的1：200變成了2：200，電流變比降低到了100，這樣二次側(cè)的電流就增大了。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MiniSTM32F103实现家庭普通电路中的电流谐波检测的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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