摘要：介绍运用MSP430F149在电力测控维护产品研发中完结根本参数丈量的软硬件规划办法，及该芯片在运用中运用留意的问题和相应的处理办法。 关键词：MSP430F149 电力测控 抗搅扰 MSP430F149(以下简称“F149”)是德州仪器(TI)公司推出超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。F149有丰厚的内部硬件资源，是一款性价比极高的工业级芯片。在运用中，F149不需做过多的扩展，合适要求快速处理的实时体系，故可在电力体系微机丈量和维护方面得以运用。详细的F149材料可参看有关文献，本文主要对电力体系中根本参数丈量的完结办法和开发中一些应留意的问题进行论说。 1 F149外围模拟信号调度 在电力体系微机丈量中，一般将一次额定电流和电压经过电流互感器(TA)、电压互感器(TV)别离转化为0～5A的电流信号和0～100V的电压信号，该信号再经一级互感器转化为数百mV～几V的电压信号，详细输出电压的幅值，可依据实践电路的状况来定制。
F149内置的模数转化器(ADC)的单极性ADC，其输入规模0～2.5V。关于双极性的输入信号，有必要转化为单极性输入信号，即对信号进行直流偏置。完结直流偏置可选用电阻分矿井或运放升压的办法。电阻分压办法的电路办法如图1所示，这种电路实践上选用的是单电源供电，可双极性输入的ADC芯片内部结构，+2.5V的基准可由F149供给。运放升压的办法是运用运放的特性将零点进行偏置，如图2所示，输入与输出的联系有：V0=1.25V-Vi。可见，输入与输出在相位上是反相的，在运用多级运放对信号进行扩大或缩小处理时，应保证各路输出信号相位的共同。当然，相位的处理也可经过软件的数据处理来完结。 电阻分压办法具有结构简略，本钱低的长处，且答应幅值较大的双极性模拟信号在板内传输，在外界搅扰必定的时分，进步了信噪比。关于F149内部的积分型 ADC而言，电阻分压办法的输入阻抗较大，为保证片内%&&&&&%的充电时刻，以到达应有的丈量精度，需相应延伸采样的时刻。 运放升压办法需求精细运放的合作，本钱较高，且低阻抗输出的+0.625V基准源也不易得到，但电路的输出阻抗低，可进步ADC的采样速度。
电力体系中电流丈量的规模很大，在额定值1.2倍规模内，要求丈量精度为0.5级;在1.2～20倍维护规模内，要求精度较低，为3级。在电路规划中，一般运用可编程PGA(增益扩大器)来处理大规模信号丈量的问题。考虑PGA办法判别、切换所需的时刻较长和维护规模内对丈量的高实时性要求，在本体系中，采纳对电流的两段规模一起采样的办法，行将电流信号一分为二，维护规模内的信号进行紧缩处理，运用两路A/D口一起进行采样。 关于三相电路，此刻有3路电流丈量信号、3路电流维护信号和3路电压信号，共9路信号，而F149仅供给8路外部信号采样通道。为此，将F149的负参阅电平VeREF丈量通道用于信号丈量。 2 F149内置ADC采样时序操控 内置ADC作业于序列通道单次转化形式，经过操控采样/转化位ADC12SC来触发ADC。ADC12SC可由必守时器来置位，该守时器的守时时刻依据当时工频的实践周期和每周期的采样点来确认，使得采样时刻距离能盯梢工频的改变，减小了丈量的非同步差错。 当ADC数据转化完结时，ADC12SC主动复位，一起会发生一个中止，对各通道的当时读数据读取，并可对数据缓冲区进行数据更新。 3 沟通采样算法 沟通采样算法有多种挑选，考虑F149的运算速度和采样速度，在每周期采样24点或36点和不需做谐波分析的状况下，在丈量规模内核算，引荐运用真有效值算法，这样办法具有高的谨慎和相对较小的运算量。在维护规模内核算，此刻精度要求不高，而对实时性要求高，要运用依据正弦波模型的半周期积分法进行核算，这种办法仅须半个周期的数据窗，核算量小。半周期积分法的精度与采样点数和核算的首点有关，当核算首点最挨近其有效值时，差错最小。以下给出两种办法离散化后的核算公式。 真有效值算法：
式中N为每周期等距离采样点数，u(k)、i(k)别离为第k次采样的电压、电流瞬时值。 4 快速开平方算法 核算有效值离不开开平方运算，开平方运算是十分耗时的算法。常见的定点数开平方运算有牛顿选代法、快速查表法、直流迫临法和试根法等。关于查表法，当被开方数改变规模较大时，进步运算精度和削减内存占用量是相对立的;直线迫临法需求存贮各段线性迫临函数的斜率和截距值，当要求的运算精度添加时，线性段的区分越密，运算处理时刻跟着添加;试根法的缺陷是运算时刻与被敞开数的巨细有关，并被开方数据很大时，试根次数添加，运算执行时刻将变长;牛顿迭代法是一种共同收敛的开平方算法，若初始值选取妥当，只需很少次乃至是一次迭代算法，即可得到满意给定精度要求的运算成果，但假如初值挑选不妥，将须屡次迭代，在微机丈量维护中电流、电压的动态改变规模很大，然后添加了挑选初值的难度。 开平方函数f(x)=x2-c=0的根的牛顿迭代公式为：
可证明上述迭代算法是收敛的，收敛的速度彻底取决于X0的挑选,x0越挨近真值根号c，收敛速度越快。 为挑选恰当的初值x0，可运用查表法。依据开方函数f(x)=x2-c=0的特色(当待开方数较小时，曲率大，插值差错也就较大，故要保证差错共同，则应取不待步长，低端步长小，高端时步长大)，用不等步长存储表格可削减表格的存储量，进步查表时刻。实践运用中，将不等步长查表法与牛顿迭代法相结合，构成一种混合开平方算法，查表用于给出牛顿迭代初值，经3次的迭代运算即可到达精度要求。 5 工频频率丈量 工频频率是电力体系中根本的参数之一，运用F149内部的硬件资源可便利的完结频率丈量。取一路电压信号，如A相电压信号+1.25V的直流电平信号进行比较，比较器输出的方波信号送至作业于捕获形式的守时器。守时器的时钟源泉为8MHz主频经8分频的1MHz信号。守时器在方波的上升沿开端计数，鄙人一上升沿到来时将计数值锁存，该计数值对应于工频的周期，经转化后即可得到工频频率。 在实践开发过程中遇到的问题是，虽然在F149内部可完结比较器与守时器的衔接，但因该比较器无迟滞比较的功用，当比较器两输入端的电平挨近时，比较器的输出端会发生振动，因而有必要将比较器的输出信号加以整形，方能输入到守时器上。F149内部比较器模块的内部滤波单元滤波效果不抱负，故将比较器的输出引出，经RC滤波后再送到守时器上，其结构如图3所示。 以下给出守时器捕获中止的处理程序，因为工频频率的改变规模小，采样这种办法不需处理计数溢出中止，结构较为简略。 interrupt[TIMERA1_VECTOR]void Timer_A1(void){switch(TAIV){ case 2: {First_Cnt=CCR1; if(First_Cnt>Last_Cnt) Period=First_Cnt-Last_Cnt; //计数无溢出 else Period=65535-Last_Cnt+First_Cnt; //计数溢出 Last_Cnt=First_Cnt; Break;} } }
6 体系可靠性办法 微机体系抗搅扰方面的文献已有许多，在这里对实践运用F149应留意的问题及处理办法进行论说。 ①保证输入信号的幅值不超越规则规模。过大的输入或冲击或许导致程序运转不正常。在恶劣的电磁搅扰搅扰下作业时，应选用吸收、滤波和阻隔等技能对输入的信号进行处理，关于难于确认输入规模的模拟信号也应有相应的限幅办法。 ②F149的输出功率较小，在有较多信号需求驱动时，应考虑在其外围添加驱动芯片，以减小F149的输出电流，这关于F149的安稳运算是很有含义的。一起，关于与外部有较长引线的接口(如键盘、LCD)，驱动(缓冲)芯片，此刻还能起到阻隔电磁辐射搅扰的效果。 ③F149未运用的引脚，应将其设置为输入形式，并将该引脚做接地处理，这些办法有利于抗电磁辐射和静电搅扰。 ④运用复位芯片来操控F149的复位;在本钱答应的条件下，可外置-“看门狗”，构成双“看门狗”结构，进步体系运转的可靠性。 ⑤如能运用商业化的沟通电源滤波器、LDO电源芯片、直流扼流圈等办法，将使体系的电源抗瞬态搅扰才能大幅增强。 MSP430F149是一款性价比极高的工业级芯片，恰当的电路规划，可使其可靠地作业在恶劣的电磁搅扰环境下。笔者运用F149规划的体系已经过国家相关规范EMCIII级测验。
