摘要：介紹使用MSP430F149在電力測(cè)控保護(hù)產(chǎn)品研制中實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)測(cè)量的軟硬件設(shè)計(jì)方法，及該芯片在使用中應(yīng)用注意的問(wèn)題和相應(yīng)的處理措施。
MSP430F149（以下簡(jiǎn)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(jí)芯片。在應(yīng)用中，F(xiàn)149不需做過(guò)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(cè)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(duì)電力系統(tǒng)中基本參數(shù)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法和開(kāi)發(fā)中一些應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行論述。
1 F149外圍模擬信號(hào)調(diào)理
在電力系統(tǒng)微機(jī)測(cè)量中，通常將一次額定電流和電壓通過(guò)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(hào)和0～100V的電壓信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)一級(jí)互感器轉(zhuǎn)換為數(shù)百mV～幾V的電壓信號(hào)，具體輸出電壓的幅值，可根據(jù)實(shí)際電路的情況來(lái)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(duì)于雙極性的輸入信號(hào)，必須轉(zhuǎn)換為單極性輸入信號(hào)，即對(duì)信號(hào)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。可見(jiàn)，輸入與輸出在相位上是反相的，在使用多級(jí)運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或縮小處理時(shí)，應(yīng)保證各路輸出信號(hào)相位的一致。當(dāng)然，相位的處理也可通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。
電阻分壓方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，且允許幅值較大的雙極性模擬信號(hào)在板內(nèi)傳輸，在外界干擾一定的時(shí)候，提高了信噪比。對(duì)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(cè)量精度，需相應(yīng)延長(zhǎng)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(cè)量的范圍很大，在額定值1.2倍范圍內(nèi)，要求測(cè)量精度為0.5級(jí)；在1.2～20倍保護(hù)范圍內(nèi)，要求精度較低，為3級(jí)。在電路設(shè)計(jì)中，通常使用可編程PGA（增益放大器）來(lái)解決大范圍信號(hào)測(cè)量的問(wèn)題?？紤]PGA方式判斷、切換所需的時(shí)間較長(zhǎng)和保護(hù)范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量的高實(shí)時(shí)性要求，在本系統(tǒng)中，采取對(duì)電流的兩段范圍同時(shí)采樣的方法，即將電流信號(hào)一分為二，保護(hù)范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，使用兩路A/D口同時(shí)進(jìn)行采樣。
對(duì)于三相電路，此時(shí)有3路電流測(cè)量信號(hào)、3路電流保護(hù)信號(hào)和3路電壓信號(hào)，共9路信號(hào)，而F149僅提供8路外部信號(hào)采樣通道。為此，將F149的負(fù)參考電平VeREF測(cè)量通道用于信號(hào)測(cè)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(guò)控制采樣/轉(zhuǎn)換位ADC12SC來(lái)觸發(fā)ADC。ADC12SC可由一定時(shí)器來(lái)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(lái)確定，使得采樣時(shí)間間隔能跟蹤工頻的變化，減小了測(cè)量的非同步誤差。
當(dāng)ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，ADC12SC自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，對(duì)各通道的當(dāng)前讀數(shù)據(jù)讀取，并可對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(kāi)平方算法
計(jì)算有效值離不開(kāi)開(kāi)平方運(yùn)算，開(kāi)平方運(yùn)算是非常耗時(shí)的算法。常見(jiàn)的定點(diǎn)數(shù)開(kāi)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(duì)于查表法，當(dāng)被開(kāi)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(kāi)放數(shù)的大小有關(guān)，并被開(kāi)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(zhǎng)；牛頓迭代法是一種一致收斂的開(kāi)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(cè)量保護(hù)中電流、電壓的動(dòng)態(tài)變化范圍很大，從而增加了選擇初值的難度。
開(kāi)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(hào)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(kāi)方函數(shù)f(x)=x2-c=0的特點(diǎn)（當(dāng)待開(kāi)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(zhǎng)，低端步長(zhǎng)小，高端時(shí)步長(zhǎng)大），用不等步長(zhǎng)存儲(chǔ)表格可減少表格的存儲(chǔ)量，提高查表時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，將不等步長(zhǎng)查表法與牛頓迭代法相結(jié)合，形成一種混合開(kāi)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(cè)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(cè)量。取一路電壓信號(hào)，如A相電壓信號(hào)+1.25V的直流電平信號(hào)進(jìn)行比較，比較器輸出的方波信號(hào)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(hào)。定時(shí)器在方波的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下一上升沿到來(lái)時(shí)將計(jì)數(shù)值鎖存，該計(jì)數(shù)值對(duì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)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(wú)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(huì)產(chǎn)生振蕩，因此必須將比較器的輸出信號(hào)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(jiǎn)單。
interrupt[TIMERA1_VECTOR]void Timer_A1(void){switch(TAIV){
case 2:
{First_Cnt=CCR1;
if(First_Cnt>Last_Cnt)
Period=First_Cnt-Last_Cnt;
//計(jì)數(shù)無(wú)溢出
else
Period=65535-Last_Cnt+First_Cnt;
//計(jì)數(shù)溢出
Last_Cnt=First_Cnt;
Break;}
}
}
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(duì)實(shí)際使用F149應(yīng)注意的問(wèn)題及處理方法進(jìn)行論述。
①確保輸入信號(hào)的幅值不超過(guò)規(guī)定范圍。過(guò)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(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)于難于確定輸入范圍的模擬信號(hào)也應(yīng)有相應(yīng)的限幅措施。
②F149的輸出功率較小，在有較多信號(hào)需要驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮在其外圍增加驅(qū)動(dòng)芯片，以減小F149的輸出電流，這對(duì)于F149的穩(wěn)定運(yùn)算是很有意義的。同時(shí)，對(duì)于與外部有較長(zhǎng)引線的接口（如鍵盤(pán)、LCD），驅(qū)動(dòng)（緩沖）芯片，此時(shí)還能起到隔離電磁輻射干擾的作用。
③F149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(lái)控制F149的復(fù)位；在成本允許的條件下，可外置-“看門(mén)狗”，構(gòu)成雙“看門(mén)狗”結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
⑤如能使用商業(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(jí)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(guò)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)EMCIII級(jí)測(cè)試。