基于MSP430F149的絕緣子遙測系統(tǒng)設(shè)計
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系統(tǒng)中數(shù)據(jù)監(jiān)測分機的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149，該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源，如高性能12 b A／D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個串行口、兩個16 b脈寬調(diào)制定時器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的內(nèi)部RAM，同時它具有多種低功耗模式，適合于設(shè)計片上系統(tǒng)和電池供電的場合。其中硬件乘法器是一個16 b的片內(nèi)外設(shè)，它獨立于CPU之外運行，不占用CPU任何時間，適宜于大量運算。系統(tǒng)采用充分利用該芯片內(nèi)部豐富的資源并運行于低功耗模式、在外圍信號調(diào)理電路采用低功耗芯片、降低充電管理模塊的功耗、GSM通訊模快定期打開等降功耗措施后，使整個分機平均功耗低于3 mA。
3．3 泄漏電流的采集
泄漏電流的變化范圍通常從幾十微安到幾百毫安，且有高頻放電脈沖。在干燥且污穢較輕的情況下，泄漏電流通常為幾十微安至幾毫安；當(dāng)污穢較重而且天氣潮濕時，泄漏電流可達幾十毫安；一旦發(fā)生閃絡(luò)時，泄漏電流可達幾百微安。
為了對微小的泄漏電流信號進行精確測量，系統(tǒng)采用了TI公司的高精度運放OPA4277，該運放低噪聲，輸入偏移電壓漂移小于0．15μV／℃，開環(huán)增益最高可達160 dB，轉(zhuǎn)換速率最高可達2．3 V／ns，滿足系統(tǒng)高速循環(huán)采樣要求。圖4為以O(shè)PA4277構(gòu)建的泄漏電流信號調(diào)理電路。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/173782.htm
同時，為了能檢測出高頻放電脈沖，系統(tǒng)根據(jù)信號變化的劇烈程度實時調(diào)整采樣頻率。一般由前一周波所得泄漏電流信號幅值和脈沖頻次來確定；當(dāng)信號幅值和脈沖頻數(shù)較小時，按每周波24點采樣，以便降低功耗；而信號幅值和脈沖頻數(shù)較大時，按每周波96點采樣，以便捕捉高頻脈沖等瞬變信號。
3．4 串行器件模塊電路
E2PROM 分機采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)打包后存入串行E2PROM 24C256中，總共8KB的存儲空間用于暫存定期采集的歷史數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)。受容量限制，大量錄波數(shù)據(jù)一般都要求立即發(fā)送，以便留出更多空間用于存儲歷史數(shù)據(jù)。
時鐘電路 選用了DALLAS半導(dǎo)體公司的時鐘芯片DSl302。它可以產(chǎn)生秒、分、小時、日、星期、月及年等七個時標(biāo)，并可以通過編程來讀取和修改這些時標(biāo)。同時該芯片采用雙電源供電，以鋰電池作為后備電源，保證了時鐘電源的可靠性。采用硬件時鐘可以不占用單片機的定時器資源，同時減輕了軟件設(shè)計量。
溫濕度模塊電路 選用了SENSIRION公司生產(chǎn)的溫濕度測量芯片SHT71，該芯片內(nèi)部集成了一個溫度傳感器、一個濕度傳感器和一個14 b的A／D轉(zhuǎn)換器及一些修正校驗電路。通常情況下芯片處于省電模式，當(dāng)接收到來自CPU的轉(zhuǎn)換命令時，將傳感器的輸出模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由串行數(shù)據(jù)線輸出到CPU。該芯片測量精度高，測量范圍寬(濕度：O～100%；溫度：一40～+120℃)，體積小，功耗低。以上3種芯片都具有寬電源工作模式，能在3 V電壓下工作，降低了系統(tǒng)功耗。圖5為串行E2PROM和時鐘電路原理圖。
3．5 分機的電磁兼容(EMC)設(shè)計
分機工作于高壓輸電線路旁，處于惡劣電磁環(huán)境中，常會受到強電磁輻射干擾、靜電放電干擾、高頻脈沖干擾、電快速瞬變干擾、雷電沖擊等。一方面高頻噪聲干擾疊加在泄漏電流這個微弱信號上給測量帶來誤差，影響檢測效果；另一方面這些干擾和沖擊作用在微電子設(shè)備上輕則使分機系統(tǒng)紊亂，數(shù)據(jù)測量錯誤，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報警，重則使系統(tǒng)“死機”，甚至使系統(tǒng)硬件損壞。針對不同干擾系統(tǒng)采取了相應(yīng)措施。為了防止輻射干擾通過信號線進入裝置，從集流環(huán)到分機的外露信號線全采用雙層屏蔽電纜，并使屏蔽層可靠接地，整個分機也被置于一個金屬密閉箱中；為了防止雷電沖擊等高電壓和大電流信號進入裝置，在泄漏電流傳感器前端并聯(lián)有避雷器以防高壓、串聯(lián)有可恢復(fù)熔斷絲以防止大電流信號，并在每個模擬量輸入回路均設(shè)有瞬變二極管等高電壓抑制元件；為了減輕電快速瞬變干擾對裝置的影響，提高系統(tǒng)的抗共模、差模干擾能力，在泄漏電流輸入回路的前端設(shè)有共、差模扼流圈及吸收電容等，使裝置抗快速瞬變干擾能力達到了四級標(biāo)準(zhǔn)，共、差模扼流圈如圖6所示；采用硬件看門狗及非法指令中斷、對重要數(shù)據(jù)如定值等采用多重備份等措施，保證了分機常年免維護正常運行。
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