MSP430F149在電力測控保護產(chǎn)品中的應用介紹

摘要：介紹使用MSP430F149在電力測控保護產(chǎn)品研制中實(shí)現基本參數測量的軟硬件設計方法，及該芯片在使用中應用注意的問(wèn)題和相應的處理措施。

MSP430F149（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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。F149有豐富的內部硬件資源，是一款性?xún)r(jià)比極高的工業(yè)級芯片。在應用中，F149不需做過(guò)多的擴展，適合要求快速處理的實(shí)時(shí)系統，故可在電力系統微機測量和保護方面得以應用。詳細的F149資料可參閱有關(guān)文獻，本文主要對電力系統中基本參數測量的實(shí)現方法和開(kāi)發(fā)中一些應注意的問(wèn)題進(jìn)行論述。

1 F149外圍模擬信號調理

在電力系統微機測量中，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)一級互感器轉換為數百mV～幾V的電壓信號，具體輸出電壓的幅值，可根據實(shí)際電路的情況來(lái)定制。

F149內置的模數轉換器（ADC）的單極性ADC，其輸入范圍0～2.5V。對于雙極性的輸入信號，必須轉換為單極性輸入信號，即對信號進(jìn)行直流偏置。實(shí)現直流偏置可采用電阻分礦井或運放升壓的方式。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芯片內部結構，+2.5V的基準可由F149提供。運放升壓的方式是利用運放的特性將零點(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?jiàn)，輸入與輸出在相位上是反相的，在使用多級運放對信號進(jìn)行放大或縮小處理時(shí)，應保證各路輸出信號相位的一致。當然，相位的處理也可通過(guò)軟件的數據處理來(lái)實(shí)現。

電阻分壓方式具有結構簡(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在板內傳輸，在外界干擾一定的時(shí)候，提高了信噪比。對于F149內部的積分型ADC而言，電阻分壓方式的輸入阻抗較大，為保證片內電容的充電時(shí)間，以達到應有的測量精度，需相應延長(cháng)采樣的時(shí)間。

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

電力系統中電流測量的范圍很大，在額定值1.2倍范圍內，要求測量精度為0.5級；在1.2～20倍保護范圍內，要求精度較低，為3級。在電路設計中，通常使用可編程PGA（增益放大器）來(lái)解決大范圍信號測量的問(wèn)題?？紤]PGA方式判斷、切換所需的時(shí)間較長(cháng)和保護范圍內對測量的高實(shí)時(shí)性要求，在本系統中，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，保護范圍內的信號進(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的負參考電平VeREF測量通道用于信號測量。

2 F149內置ADC采樣時(shí)序控制

內置ADC工作于序列通道單次轉換模式，通過(guò)控制采樣/轉換位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)間根據當前工頻的實(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，減小了測量的非同步誤差。

當ADC數據轉換完成時(shí)，ADC12SC自動(dòng)復位，同時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，對各通道的當前讀數據讀取，并可對數據緩沖區進(jìn)行數據更新。

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，在測量范圍內計算，推薦使用真有效值算法，這樣方法具有高的嚴謹和相對較小的運算量。在保護范圍內計算，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)行計算，這種方法僅須半個(gè)周期的數據窗，計算量小。半周期積分法的精度與采樣點(diǎn)數和計算的首點(diǎn)有關(guān)，當計算首點(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算公式。

真有效值算法：

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