摘要：介绍了在电力测控保护产品开发中实现基本参数测量的软硬件设计方法，以及芯片在使用中注意的问题及相应的处理措施。

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关键词：MSP430F149 电力测控 抗干扰

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内部硬件资源丰富，是性价比极高的工业级芯片。在应用中，F149适用于需要快速处理的实时系统，无需过度扩展，可应用于电力系统微机的测量和保护。详细的F本文主要讨论了电力系统中基本参数测量的实现方法和开发中应注意的一些问题。

1 F149外围模拟信号调节

额定电流和电压通常通过电流互感器进行测量(TA)、电压互感器(TV)分别转换为0~5A0~100V电压信号由一级互感器转换为数百个mV~几V电压信号，具体输出电压的振幅值，可根据实际电路情况定制。

F149内置模数转换器(ADC)的单极性ADC，其输入范围为0~2.5V。双极输入信号必须转换为单极输入信号，即直流偏置信号。电阻分矿或运放升压可用于实现直流偏置。电阻分压方式的电路形式实际上电源供电，可以双极输入ADC芯片内部结构， 2.5V的基准可由F149提供。运放升压的方法是利用运放的特性偏置零点，输入与输出的关系如下：V0=1.25V-Vi。可以看出，输入和输出在相位上是相反的。当使用多级运输放大或缩小信号时，应确保各输出信号相位的一致性。当然，软件数据处理也可以实现相位处理。 电阻分压方法具有结构简单、成本低的优点，允许振幅大的双极模拟信号在板内传输，提高了外部干扰时的信噪比。对于F149内部积分型 ADC为了保证片内电容的充电时间，达到应有的测量精度，需要相应延长采样时间。 运放升压方式需要精密运放，成本高，阻抗输出低 0.625V基准源不易获得，但电路输出阻抗低，可提高ADC采样速度。

在额定值1.2倍范围内，电力系统中的电流测量范围很大，要求测量精度为0.5级；1.在2~20倍的保护范围内，精度要求较低，为3级。可编程通常用于电路设计PGA(增益放大器)解决大规模信号测量问题。考虑PGA判断和切换所需的时间长，保护范围内测量的实时性要求高。在本系统中，采用同时采样电流两段范围的方法，即将电流信号分为两段，压缩保护范围内的信号，并采用两种方式A/D口同时采样。 对于三相电路，有三个电流测量信号、三个电流保护信号和三个电压信号，共9个信号F149只提供8个外部信号采样通道。为此，将F149的负参考电平VeREF信号测量采用测量通道。

2 F149内置ADC采样时序控制

内置ADC通过控制采样/转换位置，在序列通道单次转换模式下工作ADC12SC来触发ADC。ADC12SC定时器可以根据当前工频的实际周期和每个周期的采样点来确定，使采样时间间隔跟踪工频的变化，减少测量的非同步误差。 当ADC当数据转换完成时，ADC12SC同时，自动复位会产生中断，读取每个通道的当前读取数据，更新数据缓冲区。

3 交流采样算法

考虑到交流采样算法的多种选择F149的运算速度和采样速度在测量范围内计算，每周期采样24点或36点，不需要谐波分析。建议使用真正有效的值算法，严谨性高，操作量相对较小。在保护范围内计算时，精度要求不高，实时要求高采用基于正弦波模型的半周期积分法计算，只需半周期数据窗口，计算量小。当计算首点最接近其有效值时，半周期积分法的精度与采样点和计算首点有关，误差最小。以下给出两种方法离散化后的计算公式。 真有效值算法：

式中N为每周期等间隔采样点数，u(k)、i(k)分别是第k次采样的电压和电流瞬时值。

4 快速开平方算法

计算有效值离不开平方运算，开平方运算是一种非常耗时的算法。牛顿选代法、快速查表法、直流逼近法、试根法等是常见的定点数开平方操作。对于表格检查方法，当开放方数变化范围较大时，提高计算精度和减少内存占用是矛盾的；线性接近方法需要存储各段线性接近函数的斜率和截距值。当所需的计算精度增加时，线性段的划分越密集，计算处理时间越长；根试验方法的缺点是计算时间与开放数有关，当开放数据较大时，根试验次数增加，操作执行时间会延长；牛顿迭代法是一种一致的收敛开放TI是什么品牌平方算法，如果初始值选择得当，只需要几次甚至一次迭代算法，可以得到满足给定精度要求的操作结果。但是，如果初始值选择不当，则需要多次迭代。在微机测量和保护中，电流和电压的动态变化范围很大，增加了选择初始值的难度。 开平方函数f(x)=x2-c=根的牛顿迭代公式为：

可以证明上述迭代算法是收敛的，收敛的速度完全取决于X0的选择,x0越接近真值根号c，收敛速度越快。 选择合适的初值x可采用查表法。根据开方函数f(x)=x2-c=0的特点（当待开方数较小时，曲率较大，插值误差较大，为确保误差一致，应采用不等步长、低端步长、高端步长），不等步长存储表可以减少表的存储，提高检查时间。在实际应用中，不等步长查表法与牛顿迭代法相结合，形成混合开平方算法。查表用于给出牛顿迭代的初始值，精度要求可通过三次迭代操作满足。

5 测量工作频率

工作频率是电力系统的基本参数之一F149内部硬件资源可以轻松实现频率测量。取一路电压信号，如A相电压信号 1.25V比较直流电平信号，比较器输出的方波信号发送到在捕获模式下工作的定时器。定时器的时钟源是8MHz主频18分频MHz信号。定时器在方波的上升边缘开始计数，并在下一个上升边缘到来时锁定计数值。该计数值对应于工频周期，转换后可获得工频。 虽然在实际开发过程中遇到的问题是F比较器与定时器的连接可以在149内实现，但由于比较器没有迟滞比较功能，当比较器两个输入端的电平接近时，比较器的输出端会产生振荡。因此，在输入定时器之前，必须对比较器的输出信号进行整形。F149内部比较器模块的内部滤波单元滤波效果不理想，因此通过引出比较器的输出RC过滤后送到定时器，其结构。 以下是定时器捕获中断的处理程序。由于工作频率变化范围小，采样不需要处理计数溢出中断，结构相对简单。 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 系统可靠性措施

微机系统的抗干扰文献很多，在这里实际使用F讨论149应注意的问题和处理方法。 ①确保输入信号的振幅值不超过规定范围。输入或冲击过大可能导致程序运行异常。在恶劣的电磁干扰下工作时，应采用吸收、滤波和隔离技术处理输入信号，并对难以确定输入范围的模拟信号采取相应的限制措施。 ②F149的输出功率较小。当需要驱动更多信号时，应考虑在其外围增加驱动芯片以减少F对于149输出电流，F149的稳定运算很有意义。同时，对于与外界有长引线的接口(如键盘，LCD)，驱动(缓冲)芯片也可以隔离电磁辐射干扰。 ③F149未使用的引脚应设置为输入模式，并接地，有利于抗电磁辐射和静电干扰。 ④使用复位芯片进行控制F149复位；在成本允许的情况下，可以外置-“看门狗”，构成双“看门狗”结构，提高系统运行的可靠性。 ⑤如果可以使用商业交流电源滤波器，LDO电源芯片、直流扼流圈等措施将大大提高系统的电源抗瞬态干扰能力。 MSP430F149是一种性价比高的工业芯片，适当的电路设计可以使其在恶劣的电磁干扰环境中可靠工作。笔者使用F149设计的系统已通过国家相关标准EMCIII级测试。