MSP430F149在電力測控保護產品中的應用介紹

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

MSP430F149（以下簡稱“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。F149有豐富的內部硬件資源，是一款性價比極高的工業(yè)級芯片。在應用中，F149不需做過多的擴展，適合要求快速處理的實時系統(tǒng)，故可在電力系統(tǒng)微機測量和保護方面得以應用。詳細的F149資料可參閱有關文獻，本文主要對電力系統(tǒng)中基本參數(shù)測量的實現(xiàn)方法和開發(fā)中一些應注意的問題進行論述。

1 F149外圍模擬信號調理

在電力系統(tǒng)微機測量中，通常將一次額定電流和電壓通過電流互感器（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，該信號再經一級互感器轉換為數(shù)百mV～幾V的電壓信號，具體輸出電壓的幅值，可根據(jù)實際電路的情況來定制。

F149內置的模數(shù)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，即對信號進行直流偏置。實現(xiàn)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進行偏置，如圖2所示，輸入與輸出的關系有：V0=1.25V-Vi?？梢?，輸入與輸出在相位上是反相的，在使用多級運放對信號進行放大或縮小處理時，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軟件的數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)。

電阻分壓方式具有結構簡單，成本低的優(yōu)點，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間，以達到應有的測量精度，需相應延長采樣的時間。

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(tǒng)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）來解決大范圍信號測量的問題。考慮PGA方式判斷、切換所需的時間較長和保護范圍內對測量的高實時性要求，在本系統(tǒng)中，采取對電流的兩段范圍同時采樣的方法，即將電流信號一分為二，保護范圍內的信號進行壓縮處理，使用兩路A/D口同時進行采樣。

對于三相電路，此時有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采樣時序控制

內置ADC工作于序列通道單次轉換模式，通過控制采樣/轉換位ADC12SC來觸發(fā)ADC。ADC12SC可由一定時器來置位，該定時器的定時時間根據(jù)當前工頻的實際周期和每周期的采樣點來確定，使得采樣時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(shù)據(jù)轉換完成時，ADC12SC自動復位，同時會產生一個中斷，對各通道的當前讀數(shù)據(jù)讀取，并可對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(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的運算速度和采樣速度，在每周期采樣24點或36點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，此時精度要求不高，而對實時性要求高，要使用基于正弦波模型的半周期積分法進行計算，這種方法僅須半個周期的數(shù)據(jù)窗，計算量小。半周期積分法的精度與采樣點數(shù)和計算的首點有關，當計算首點最接近其有效值時，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數(shù)，u(k)、i（k）分別為第k次采樣的電壓、電流瞬時值。