基于MSP430F149的電力測控保護產(chǎn)品的應用設計

　　摘要：介紹使用在電力測控保護產(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。

　　關(guān)鍵詞：MSP430F149 電力測控 抗干擾

　　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。

　　4 快速開(kāi)平方算法

　　計算有效值離不開(kāi)開(kāi)平方運算，開(kāi)平方運算是非常耗時(shí)的算法。常見(jiàn)的定點(diǎn)數開(kāi)平方運算有牛頓選代法、快速查表法、直流逼近法和試根法等。對于查表法，當被開(kāi)方數變化范圍較大時(shí)，提高運算精度和減少內存占用量是相矛盾的;直線(xiàn)逼近法需要存貯各段線(xiàn)性逼近函數的斜率和截距值，當要求的運算精度增加時(shí)，線(xiàn)性段的劃分越密，運算處理時(shí)間隨著(zhù)增加;試根法的缺點(diǎn)是運算時(shí)間與被開(kāi)放數的大小有關(guān)，并被開(kāi)方數據很大時(shí)，試根次數增加，運算執行時(shí)間將變長(cháng);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，只需很少次甚至是一次迭代算法，即可得到滿(mǎn)足給定精度要求的運算結果，但如果初值選擇不當，將須多次迭代，在微機測量保護中電流、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。 為選擇適當的初值x0，可使用查表法。根據開(kāi)方函數f(x)=x2-c=0的特點(diǎn)(當待開(kāi)方數較小時(shí)，曲率大，插值誤差也就較大，故要保證誤差一致，則應取不待步長(cháng)，低端步長(cháng)小，高端時(shí)步長(cháng)大)，用不等步長(cháng)存儲表格可減少表格的存儲量，提高查表時(shí)間。實(shí)際應用中，將不等步長(cháng)查表法與牛頓迭代法相結合，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次的迭代運算即可達到精度要求。

　　5 工頻頻率測量

　　工頻頻率是電力系統中基本的參數之一，利用F149內部的硬件資源可方便的實(shí)現頻率測量。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(kāi)始計數，在下一上升沿到來(lái)時(shí)將計數值鎖存，該計數值對應于工頻的周期，經(jīng)轉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內部可實(shí)現比較器與定時(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加以整形，方能輸入到定時(shí)器上。F149內部比較器模塊的內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，其結構如圖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數溢出中斷，結構較為簡(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; //計數無(wú)溢出 else Period=65535-Last_Cnt+First_Cnt; //計數溢出 Last_Cnt=First_Cnt; Break;} } }

　　6 系統可靠性措施

　　微機系統抗干擾方面的文獻已有許多，在這里對實(shí)際使用F149應注意的問(wèn)題及處理方法進(jìn)行論述。 ①確保輸入信號的幅值不超過(guò)規定范圍。過(guò)大的輸入或沖擊可能導致程序運行不正常。在惡劣的電磁干擾干擾下工作時(shí)，應采用吸收、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有相應的限幅措施。 ②F149的輸出功率較小，在有較多信號需要驅動(dòng)時(shí)，應考慮在其外圍增加驅動(dòng)芯片，以減小F149的輸出電流，這對于F149的穩定運算是很有意義的。同時(shí)，對于與外部有較長(cháng)引線(xiàn)的接口(如鍵盤(pán)、LCD)，驅動(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，應將其設置為輸入模式，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使用復位芯片來(lái)控制F149的復位;在成本允許的條件下，可外置-“看門(mén)狗”，構成雙“看門(mén)狗”結構，提高系統運行的可靠性。 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，將使系統的電源抗瞬態(tài)干擾能力大幅增強。 MSP430F149是一款性?xún)r(jià)比極高的工業(yè)級芯片，適當的電路設計，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設計的系統已通過(guò)國家相關(guān)標準EMCIII級測試。