基于MSP430F149的絕緣子遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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系統(tǒng)中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149，該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源，如高性能12 b A／D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個(gè)串行口、兩個(gè)16 b脈寬調(diào)制定時(shí)器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的內(nèi)部RAM，同時(shí)它具有多種低功耗模式，適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)和電池供電的場(chǎng)合。其中硬件乘法器是一個(gè)16 b的片內(nèi)外設(shè)，它獨(dú)立于CPU之外運(yùn)行，不占用CPU任何時(shí)間，適宜于大量運(yùn)算。系統(tǒng)采用充分利用該芯片內(nèi)部豐富的資源并運(yùn)行于低功耗模式、在外圍信號(hào)調(diào)理電路采用低功耗芯片、降低充電管理模塊的功耗、GSM通訊模快定期打開等降功耗措施后，使整個(gè)分機(jī)平均功耗低于3 mA。
3．3 泄漏電流的采集
泄漏電流的變化范圍通常從幾十微安到幾百毫安，且有高頻放電脈沖。在干燥且污穢較輕的情況下，泄漏電流通常為幾十微安至幾毫安；當(dāng)污穢較重而且天氣潮濕時(shí)，泄漏電流可達(dá)幾十毫安；一旦發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，泄漏電流可達(dá)幾百微安。
為了對(duì)微小的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，系統(tǒng)采用了TI公司的高精度運(yùn)放OPA4277，該運(yùn)放低噪聲，輸入偏移電壓漂移小于0．15μV／℃，開環(huán)增益最高可達(dá)160 dB，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)2．3 V／ns，滿足系統(tǒng)高速循環(huán)采樣要求。圖4為以O(shè)PA4277構(gòu)建的泄漏電流信號(hào)調(diào)理電路。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/173782.htm
同時(shí)，為了能檢測(cè)出高頻放電脈沖，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)變化的劇烈程度實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率。一般由前一周波所得泄漏電流信號(hào)幅值和脈沖頻次來確定；當(dāng)信號(hào)幅值和脈沖頻數(shù)較小時(shí)，按每周波24點(diǎn)采樣，以便降低功耗；而信號(hào)幅值和脈沖頻數(shù)較大時(shí)，按每周波96點(diǎn)采樣，以便捕捉高頻脈沖等瞬變信號(hào)。
3．4 串行器件模塊電路
E2PROM 分機(jī)采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)打包后存入串行E2PROM 24C256中，總共8KB的存儲(chǔ)空間用于暫存定期采集的歷史數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)。受容量限制，大量錄波數(shù)據(jù)一般都要求立即發(fā)送，以便留出更多空間用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。
時(shí)鐘電路 選用了DALLAS半導(dǎo)體公司的時(shí)鐘芯片DSl302。它可以產(chǎn)生秒、分、小時(shí)、日、星期、月及年等七個(gè)時(shí)標(biāo)，并可以通過編程來讀取和修改這些時(shí)標(biāo)。同時(shí)該芯片采用雙電源供電，以鋰電池作為后備電源，保證了時(shí)鐘電源的可靠性。采用硬件時(shí)鐘可以不占用單片機(jī)的定時(shí)器資源，同時(shí)減輕了軟件設(shè)計(jì)量。
溫濕度模塊電路 選用了SENSIRION公司生產(chǎn)的溫濕度測(cè)量芯片SHT71，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)濕度傳感器和一個(gè)14 b的A／D轉(zhuǎn)換器及一些修正校驗(yàn)電路。通常情況下芯片處于省電模式，當(dāng)接收到來自CPU的轉(zhuǎn)換命令時(shí)，將傳感器的輸出模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由串行數(shù)據(jù)線輸出到CPU。該芯片測(cè)量精度高，測(cè)量范圍寬(濕度：O～100%；溫度：一40～+120℃)，體積小，功耗低。以上3種芯片都具有寬電源工作模式，能在3 V電壓下工作，降低了系統(tǒng)功耗。圖5為串行E2PROM和時(shí)鐘電路原理圖。
3．5 分機(jī)的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)
分機(jī)工作于高壓輸電線路旁，處于惡劣電磁環(huán)境中，常會(huì)受到強(qiáng)電磁輻射干擾、靜電放電干擾、高頻脈沖干擾、電快速瞬變干擾、雷電沖擊等。一方面高頻噪聲干擾疊加在泄漏電流這個(gè)微弱信號(hào)上給測(cè)量帶來誤差，影響檢測(cè)效果；另一方面這些干擾和沖擊作用在微電子設(shè)備上輕則使分機(jī)系統(tǒng)紊亂，數(shù)據(jù)測(cè)量錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警，重則使系統(tǒng)“死機(jī)”，甚至使系統(tǒng)硬件損壞。針對(duì)不同干擾系統(tǒng)采取了相應(yīng)措施。為了防止輻射干擾通過信號(hào)線進(jìn)入裝置，從集流環(huán)到分機(jī)的外露信號(hào)線全采用雙層屏蔽電纜，并使屏蔽層可靠接地，整個(gè)分機(jī)也被置于一個(gè)金屬密閉箱中；為了防止雷電沖擊等高電壓和大電流信號(hào)進(jìn)入裝置，在泄漏電流傳感器前端并聯(lián)有避雷器以防高壓、串聯(lián)有可恢復(fù)熔斷絲以防止大電流信號(hào)，并在每個(gè)模擬量輸入回路均設(shè)有瞬變二極管等高電壓抑制元件；為了減輕電快速瞬變干擾對(duì)裝置的影響，提高系統(tǒng)的抗共模、差模干擾能力，在泄漏電流輸入回路的前端設(shè)有共、差模扼流圈及吸收電容等，使裝置抗快速瞬變干擾能力達(dá)到了四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，共、差模扼流圈如圖6所示；采用硬件看門狗及非法指令中斷、對(duì)重要數(shù)據(jù)如定值等采用多重備份等措施，保證了分機(jī)常年免維護(hù)正常運(yùn)行。
評(píng)論