基于MSP430F133的電子鎮(zhèn)流器綜合測試儀

引言

電子節(jié)能燈是走進千家萬戶的產品，提高它的品質對于提倡節(jié)能的現代化建設有重要意義，對于生產企業(yè)則是增強產品競爭力的必由途徑，電子節(jié)能燈實現節(jié)能的主要原理是以電子鎮(zhèn)流器代替?zhèn)鞑ル姼墟?zhèn)流器，提高電子節(jié)能燈品質最重要的是要保證電子鎮(zhèn)流器的品質，我校受企業(yè)的委托研制了本綜合測試儀，用于生產過程中的分析，測試電子鎮(zhèn)流器的性能。

1 電子鎮(zhèn)流器主要測試項目

電子鎮(zhèn)流器原理可以簡化為圖1所示的電路，影響電子鎮(zhèn)流器性能的主要指標有：啟動階段的預熱燈管電壓，預熱燈絲電流和預熱時間，穩(wěn)定后的燈管電壓、燈管電流、燈絲電流、振蕩頻率、輸入電流、輸入功率和功率因素，為此須放置傳感器采集輸出端的燈管電壓，燈絲電流，陰極電路和振蕩頻率，采集輸入端的功率、電流和功率因素等數據，然后分析、計算采集的數據得到電子鎮(zhèn)流器的各項性能指標。

2 測試儀總體設計思路

圖2是測試儀的總體框圖，本測試儀由計算機和嵌入式測試儀兩部分組成，嵌入式測試儀采集并分析各項數據，然后經rs232串口上傳到計算機，在計算機上顯示并保存測試結果。

嵌入式測試儀以msp430f133為核心，msp430f133是ti公司生產的低功耗16位混合信號單片機，最高處理能力為8mips，具有8kb flash型存儲器和256字節(jié)ram，2個16位計數器和1個看門狗定時器，1個串行通信接口，還有一個最高轉換速度200ksps的12位adc模塊，msp430f133單片機非常適合于本測試儀中的設計要求，具有非常高的性價比，例如他內部豐富的外設資源，可以大大簡化本測試儀的硬件設計.

電子鎮(zhèn)流器的振蕩頻率一般在40khz左右，啟動時燈管電壓（峰-峰值）通常超過1000v，而在穩(wěn)定后燈管電壓（有效值）不到100v，具有頻率高、電壓高及變化幅度大等特點，因此，信號采集電路的設計是本測試儀設計的重點和難點。

3 主要功能模塊的設計

3.1 燈管電壓和工作頻率信號采集硬件設計

測試儀燈管電壓（有效值）測試量程為0-500v。為了與信號變換及adc電路相適應，必須將該燈管電壓信號衰減到0-2.5v，即200：1的分壓衰減。

通過對多種電阻器件分布電感和電容特性的深入研究及實例，發(fā)現3386型單圈玻璃釉電位器具有極小的分布電感和電容，用它制作4mω：20kω（分壓比為200：1）的分壓取樣電路，分壓得到的信號非線性和畸變均小于1%，完全滿足測試儀精度的要求。

電子鎮(zhèn)流器輸出燈管電壓信號的頻率和幅度都極不穩(wěn)定，隨著燈管和器件發(fā)熱會發(fā)生顯著變化，通常頻率和電壓信號包絡被電網的工頻信號調制，采用常規(guī)的峰值檢波電路或平均值檢波電路等方法來測試燈管電壓有效值，都會有較大的誤差，因而采用真有效值測量專用集成電路ad637，將雜亂的燈管電壓信號轉換為對應的有效值直流電壓，然后送msp430f133內部的adc轉換器。

測試儀中的頻率測量電路是將衰減取樣到的燈管電壓信號送由lm393構成的具有遲滯特性得比較器，將交流信號整形為脈沖信號，然后送msp430f133的計數器輸入腳，由msp430f133內部計數器實現頻率測量，具體實現電路如圖3所示。

3.2 燈絲電流和燈管電流采集硬件設計

電流傳感器選擇受諸多因素限制，燈絲電流在預熱階段達幾百ma，而在正常時只有幾十ma；燈絲電阻有多種規(guī)格，從幾ω到幾十ω；波形是雜亂的，頻率在40khz左右，頻率和幅值均受電網工頻信號的調制，因此，電流采樣電路使用常規(guī)的采樣電阻取樣或者線圈感應取樣設計，存在帶寬窄、非線性和畸變嚴重，影響電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)等問題，都不能滿足測試儀的要求。

為此，選擇閉環(huán)式霍爾電流傳感器作為測試儀的電流傳感器，閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁芯中磁通量近乎為0，因此，插入損耗很小，幾乎不會對被測電路產生影響，并且可以測量從直流到100khz各種波形的電流，另外與被測定對象之間是物理隔離的。

閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理如圖4所示，如果霍爾元件有磁場通過，則有電壓輸出，該電壓放大并轉換為電流輸出給補償線圈，由補償線圈產生與被測電流方向相反的磁場，經動態(tài)反饋使磁芯中的磁通為0，此時
i1×n1=i2×n2即i1=i2（n2/i1）=（uo/rs）（n2/i1）

式中，i1為被測電流，n1為其對應初級繞組的匝數；i2為補償線圈中的電流，n2是補償線圈中的匝數；uo是i2流經取樣電阻rs產生的壓降，由上式可知，當磁場平衡時，只要測量uo即可計算得到被測電流。

經測試，閉環(huán)式霍爾電流傳感器完全滿足測試儀電流取樣的各項要求，確保了測試儀電流測量的高精度，有效值變換電路如圖5所示，與電壓通道相同。

直接利用遠方公司生產的pf9805型智能電量測試儀測量輸入電流、輸入功率以及功率因素，pf9805型電電量測試儀帶有rs232接口。本測試儀所需要做的是利用它提供的接口，適時讀取輸入電流等數據。

由于msp430f133只有一個串行通信接口，但是需要與pf9805型電量測試儀、pc兩個對象通信，經過仔細分析工作時序，設計了圖6所示的串行通信切換電路，以很低的代價實現了串口的擴展。

4 軟件設計

4.1 下位機軟件設計

本測試儀的軟件設計，需要根據電子鎮(zhèn)流器的工作時序，依序采集對應的電壓、電流和頻率等數據，并對采集到的數據進行分析、處理，得到各項測試結果，最后將測試結果上傳到計算機。 圖7是msp430f133中程序的流程，在該程序當中，從通信角度而言，單片機是主機，與pc和pf9805型電量測試之間的通信只能由它發(fā)起，以避免串口沖突。

在燈管點亮前，燈管電壓不斷提高，在點亮后，燈管電壓則快速下降，根據這一特性，程序中連續(xù)檢測燈管電壓，當出現拐點并下降到最大電壓的20%（可設）時，判定預熱結束燈管已經點亮。

預熱燈管電壓：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測燈管電壓并記錄最大值，直到預熱階段結束，該最大值就是預熱燈管電壓。

預熱燈絲電流：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測燈絲電流并記錄最大值，直到預熱階段結束，該最大值就是預熱燈絲電流。

預熱時間：從鎮(zhèn)流器加電開始啟動計時，到預熱階段結束停止，所計的時間就是預熱時間。

預熱結束后，延遲10s（可設），認為達到穩(wěn)定，進行各項穩(wěn)定指標的測試，需要注意的是，無論電壓、電流還是頻率，均是工頻50hz的函數，因此，各項測試均以20ms的整數倍為周期，進行平均處理，以盡量減少由于工頻信號調制所帶來的誤差。

4.2 上位機軟件設計

計算機軟件用delphi7編寫，主要完成三項功能：與測試儀通信、參數設置、測試數據顯示和保存。

與測試儀通信，共定義了3條指令：向測試儀加載參數請求、加載參數及返回測試結果，雙方約定波特率為19200bps，計算機為從機，平時處于接收狀態(tài)，只有收到加載參數請求時才向測試儀發(fā)送各項設置參數，通信部分軟化流程如圖8所示。

5 小結

本測試儀巧妙地利用了玻璃釉電位器構成分壓取樣電路；使用新型閉環(huán)霍爾電流傳感器采樣電路，以及ad637高性能真有效值轉換芯片變換諧波豐富的電壓和電流信號，選擇msp430f133新型16位低功耗混合信號單片機為主處理器，并最大限度地利用其片上adc、uart、flash、timer等資源，從實際設計完成的產品看，具有精度高、成本低、簡單易用的特點，完全滿足生產過程中電子鎮(zhèn)流器性能分析監(jiān)控的要求，如果在軟件中引入校準、補償等處理，該測試儀還可以用于電子鎮(zhèn)流器研發(fā)等場合的分析測試。