MSP430在電力測控保護(hù)產(chǎn)品中的應(yīng)用

MSP430F149（以下簡稱“F149”）是德州儀器（TI）公司推出超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。F149有豐富的內(nèi)部硬件資源，是一款性價(jià)比極高的工業(yè)級芯片。在應(yīng)用中，F(xiàn)149不需做過多的擴(kuò)展，適合要求快速處理的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，故可在電力系統(tǒng)微機(jī)測量和保護(hù)方面得以應(yīng)用。詳細(xì)的F149資料可參閱有關(guān)文獻(xiàn)，本文主要對電力系統(tǒng)中基本參數(shù)測量的實(shí)現(xiàn)方法和開發(fā)中一些應(yīng)注意的問題進(jìn)行論述。

　　1 F149外圍模擬信號調(diào)理

　　在電力系統(tǒng)微機(jī)測量中，通常將一次額定電流和電壓通過電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）分別轉(zhuǎn)換為0～5A的電流信號和0～100V的電壓信號，該信號再經(jīng)一級互感器轉(zhuǎn)換為數(shù)百mV～幾V的電壓信號，具體輸出電壓的幅值，可根據(jù)實(shí)際電路的情況來定制。

　　F149內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的單極性ADC，其輸入范圍0～2.5V。對于雙極性的輸入信號，必須轉(zhuǎn)換為單極性輸入信號，即對信號進(jìn)行直流偏置。實(shí)現(xiàn)直流偏置可采用電阻分礦井或運(yùn)放升壓的方式。電阻分壓方式的電路形式如圖1所示，這種電路實(shí)際上采用的是單電源供電，可雙極性輸入的ADC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，+2.5V的基準(zhǔn)可由F149提供。運(yùn)放升壓的方式是利用運(yùn)放的特性將零點(diǎn)進(jìn)行偏置，如圖2所示，輸入與輸出的關(guān)系有：V0=1.25V-Vi?？梢姡斎肱c輸出在相位上是反相的，在使用多級運(yùn)放對信號進(jìn)行放大或縮小處理時(shí)，應(yīng)保證各路輸出信號相位的一致。當(dāng)然，相位的處理也可通過軟件的數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)。

　　電阻分壓方式具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，且允許幅值較大的雙極性模擬信號在板內(nèi)傳輸，在外界干擾一定的時(shí)候，提高了信噪比。對于F149內(nèi)部的積分型ADC而言，電阻分壓方式的輸入阻抗較大，為保證片內(nèi)電容的充電時(shí)間，以達(dá)到應(yīng)有的測量精度，需相應(yīng)延長采樣的時(shí)間。

　　運(yùn)放升壓方式需要精密運(yùn)放的配合，成本較高，且低阻抗輸出的+0.625V基準(zhǔn)源也不易得到，但電路的輸出阻抗低，可提高ADC的采樣速度。

　　電力系統(tǒng)中電流測量的范圍很大，在額定值1.2倍范圍內(nèi)，要求測量精度為0.5級；在1.2～20倍保護(hù)范圍內(nèi)，要求精度較低，為3級。在電路設(shè)計(jì)中，通常使用可編程PGA（增益放大器）來解決大范圍信號測量的問題?？紤]PGA方式判斷、切換所需的時(shí)間較長和保護(hù)范圍內(nèi)對測量的高實(shí)時(shí)性要求，在本系統(tǒng)中，采取對電流的兩段范圍同時(shí)采樣的方法，即將電流信號一分為二，保護(hù)范圍內(nèi)的信號進(jìn)行壓縮處理，使用兩路A/D口同時(shí)進(jìn)行采樣。

　　對于三相電路，此時(shí)有3路電流測量信號、3路電流保護(hù)信號和3路電壓信號，共9路信號，而F149僅提供8路外部信號采樣通道。為此，將F149的負(fù)參考電平VeREF測量通道用于信號測量。

　　2 F149內(nèi)置ADC采樣時(shí)序控制

　　內(nèi)置ADC工作于序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，通過控制采樣/轉(zhuǎn)換位ADC12SC來觸發(fā)ADC。ADC12SC可由一定時(shí)器來置位，該定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間根據(jù)當(dāng)前工頻的實(shí)際周期和每周期的采樣點(diǎn)來確定，使得采樣時(shí)間間隔能跟蹤工頻的變化，減小了測量的非同步誤差。

　　當(dāng)ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，ADC12SC自動復(fù)位，同時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)中斷，對各通道的當(dāng)前讀數(shù)據(jù)讀取，并可對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

　　3 交流采樣算法

　　交流采樣算法有多種選擇，考慮F149的運(yùn)算速度和采樣速度，在每周期采樣24點(diǎn)或36點(diǎn)和不需做諧波分析的情況下，在測量范圍內(nèi)計(jì)算，推薦使用真有效值算法，這樣方法具有高的嚴(yán)謹(jǐn)和相對較小的運(yùn)算量。在保護(hù)范圍內(nèi)計(jì)算，此時(shí)精度要求不高，而對實(shí)時(shí)性要求高，要使用基于正弦波模型的半周期積分法進(jìn)行計(jì)算，這種方法僅須半個(gè)周期的數(shù)據(jù)窗，計(jì)算量小。半周期積分法的精度與采樣點(diǎn)數(shù)和計(jì)算的首點(diǎn)有關(guān)，當(dāng)計(jì)算首點(diǎn)最接近其有效值時(shí)，誤差最小。以下給出兩種方法離散化后的計(jì)算公式。

　　真有效值算法：

　　式中N為每周期等間隔采樣點(diǎn)數(shù)，u(k)、i（k）分別為第k次采樣的電壓、電流瞬時(shí)值。

　　4 快速開平方算法

　　計(jì)算有效值離不開開平方運(yùn)算，開平方運(yùn)算是非常耗時(shí)的算法。常見的定點(diǎn)數(shù)開平方運(yùn)算有牛頓選代法、快速查表法、直流逼近法和試根法等。對于查表法，當(dāng)被開方數(shù)變化范圍較大時(shí)，提高運(yùn)算精度和減少內(nèi)存占用量是相矛盾的；直線逼近法需要存貯各段線性逼近函數(shù)的斜率和截距值，當(dāng)要求的運(yùn)算精度增加時(shí)，線性段的劃分越密，運(yùn)算處理時(shí)間隨著增加；試根法的缺點(diǎn)是運(yùn)算時(shí)間與被開放數(shù)的大小有關(guān)，并被開方數(shù)據(jù)很大時(shí)，試根次數(shù)增加，運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間將變長；牛頓迭代法是一種一致收斂的開平方算法，若初始值選取得當(dāng)，只需很少次甚至是一次迭代算法，即可得到滿足給定精度要求的運(yùn)算結(jié)果，但如果初值選擇不當(dāng)，將須多次迭代，在微機(jī)測量保護(hù)中電流、電壓的動態(tài)變化范圍很大，從而增加了選擇初值的難度。

　　開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為：

　　可證明上述迭代算法是收斂的，收斂的速度完全取決于X0的選擇,x0越接近真值根號c，收斂速度越快。

　　為選擇適當(dāng)?shù)某踔祒0，可使用查表法。根據(jù)開方函數(shù)f(x)=x2-c=0的特點(diǎn)（當(dāng)待開方數(shù)較小時(shí)，曲率大，插值誤差也就較大，故要保證誤差一致，則應(yīng)取不待步長，低端步長小，高端時(shí)步長大），用不等步長存儲表格可減少表格的存儲量，提高查表時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，將不等步長查表法與牛頓迭代法相結(jié)合，形成一種混合開平方算法，查表用于給出牛頓迭代初值，經(jīng)3次的迭代運(yùn)算即可達(dá)到精度要求。

5 工頻頻率測量

　　工頻頻率是電力系統(tǒng)中基本的參數(shù)之一，利用F149內(nèi)部的硬件資源可方便的實(shí)現(xiàn)頻率測量。取一路電壓信號，如A相電壓信號+1.25V的直流電平信號進(jìn)行比較，比較器輸出的方波信號送至工作于捕獲模式的定時(shí)器。定時(shí)器的時(shí)鐘源泉為8MHz主頻經(jīng)8分頻的1MHz信號。定時(shí)器在方波的上升沿開始計(jì)數(shù)，在下一上升沿到來時(shí)將計(jì)數(shù)值鎖存，該計(jì)數(shù)值對應(yīng)于工頻的周期，經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可得到工頻頻率。

　　在實(shí)際開發(fā)過程中遇到的問題是，雖然在F149內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)比較器與定時(shí)器的連接，但因該比較器無遲滯比較的功能，當(dāng)比較器兩輸入端的電平接近時(shí)，比較器的輸出端會產(chǎn)生振蕩，因此必須將比較器的輸出信號加以整形，方能輸入到定時(shí)器上。F149內(nèi)部比較器模塊的內(nèi)部濾波單元濾波效果不理想，故將比較器的輸出引出，經(jīng)RC濾波后再送到定時(shí)器上，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　以下給出定時(shí)器捕獲中斷的處理程序，由于工頻頻率的變化范圍小，采樣這種方式不需處理計(jì)數(shù)溢出中斷，結(jié)構(gòu)較為簡單。

　　6 系統(tǒng)可靠性措施

　　微機(jī)系統(tǒng)抗干擾方面的文獻(xiàn)已有許多，在這里對實(shí)際使用F149應(yīng)注意的問題及處理方法進(jìn)行論述。

　?、俅_保輸入信號的幅值不超過規(guī)定范圍。過大的輸入或沖擊可能導(dǎo)致程序運(yùn)行不正常。在惡劣的電磁干擾干擾下工作時(shí)，應(yīng)采用吸收、濾波和隔離等技術(shù)對輸入的信號進(jìn)行處理，對于難于確定輸入范圍的模擬信號也應(yīng)有相應(yīng)的限幅措施。

　?、贔149的輸出功率較小，在有較多信號需要驅(qū)動時(shí)，應(yīng)考慮在其外圍增加驅(qū)動芯片，以減小F149的輸出電流，這對于F149的穩(wěn)定運(yùn)算是很有意義的。同時(shí)，對于與外部有較長引線的接口（如鍵盤、LCD），驅(qū)動（緩沖）芯片，此時(shí)還能起到隔離電磁輻射干擾的作用。

　?、跢149未使用的引腳，應(yīng)將其設(shè)置為輸入模式，并將該引腳做接地處理，這些措施有利于抗電磁輻射和靜電干擾。

　　④使用復(fù)位芯片來控制F149的復(fù)位；在成本允許的條件下，可外置-“看門狗”，構(gòu)成雙“看門狗”結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　?、萑缒苁褂蒙虡I(yè)化的交流電源濾波器、LDO電源芯片、直流扼流圈等措施，將使系統(tǒng)的電源抗瞬態(tài)干擾能力大幅增強(qiáng)。

　　MSP430F149是一款性價(jià)比極高的工業(yè)級芯片，適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，可使其可靠地工作在惡劣的電磁干擾環(huán)境下。筆者使用F149設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已通過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)EMCIII級測試。