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(nèi)部硬件資源,，是一款性價比極高的工業(yè)級芯片。在應用中,，F(xiàn)149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)" title="電力系統(tǒng)">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(diào)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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,?？梢姡斎肱c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(nèi)傳輸,，在外界干擾一定的時候，提高了信噪比,。對于F149內(nèi)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(nèi)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(nèi),，要求測量精度為0.5級,；在1.2～20倍保護范圍內(nèi)，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,?？紤]PGA方式判斷、切換所需的時間較長和保護范圍內(nèi)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(nèi)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(nèi)置ADC采樣時序控制
內(nèi)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" title="ADC12SC">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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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,。
4 快速開平方算法
計算有效值離不開開平方運算,，開平方運算是非常耗時的算法。常見的定點數(shù)開平方運算有牛頓選代法,、快速查表法,、直流逼近法和試根法等。對于查表法，當被開方數(shù)變化范圍較大時,，提高運算精度和減少內(nèi)存占用量是相矛盾的,；直線逼近法需要存貯各段線性逼近函數(shù)的斜率和截距值，當要求的運算精度增加時,，線性段的劃分越密,，運算處理時間隨著增加；試根法的缺點是運算時間與被開放數(shù)的大小有關,，并被開方數(shù)據(jù)很大時,，試根次數(shù)增加，運算執(zhí)行時間將變長,；牛頓迭代法是一種一致收斂的開平方算法,，若初始值選取得當，只需很少次甚至是一次迭代算法,，即可得到滿足給定精度要求的運算結果，但如果初值選擇不當,，將須多次迭代,，在微機測量保護中電流、電壓的動態(tài)變化范圍很大,，從而增加了選擇初值的難度,。
開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為：
可證明上述迭代算法是收斂的，收斂的速度完全取決于X0的選擇,x0越接近真值根號c,，收斂速度越快,。
為選擇適當?shù)某踔祒0，可使用查表法,。根據(jù)開方函數(shù)f(x)=x2-c=0的特點（當待開方數(shù)較小時,，曲率大，插值誤差也就較大,，故要保證誤差一致,，則應取不待步長，低端步長小,，高端時步長大）,，用不等步長存儲表格可減少表格的存儲量，提高查表時間,。實際應用中,，將不等步長查表法與牛頓迭代法相結合，形成一種混合開平方算法,，查表用于給出牛頓迭代初值,，經(jīng)3次的迭代運算即可達到精度要求。
5 工頻頻率測量
工頻頻率是電力系統(tǒng)中基本的參數(shù)之一，利用F149內(nèi)部的硬件資源可方便的實現(xiàn)頻率測量,。取一路電壓信號,，如A相電壓信號+1.25V的直流電平信號進行比較，比較器輸出的方波信號送至工作于捕獲模式的定時器,。定時器的時鐘源泉為8MHz主頻經(jīng)8分頻的1MHz信號,。定時器在方波的上升沿開始計數(shù)，在下一上升沿到來時將計數(shù)值鎖存,，該計數(shù)值對應于工頻的周期,，經(jīng)轉換后即可得到工頻頻率。
在實際開發(fā)過程中遇到的問題是,，雖然在F149內(nèi)部可實現(xiàn)比較器與定時器的連接,，但因該比較器無遲滯比較的功能，當比較器兩輸入端的電平接近時,，比較器的輸出端會產(chǎn)生振蕩,，因此必須將比較器的輸出信號加以整形，方能輸入到定時器上,。F149內(nèi)部比較器模塊的內(nèi)部濾波單元濾波效果不理想,，故將比較器的輸出引出，經(jīng)RC濾波后再送到定時器上,，其結構如圖3所示,。
以下給出定時器捕獲中斷的處理程序，由于工頻頻率的變化范圍小,，采樣這種方式不需處理計數(shù)溢出中斷,，結構較為簡單。
6 系統(tǒng)可靠性措施
微機系統(tǒng)抗干擾方面的文獻已有許多,，在這里對實際使用F149應注意的問題及處理方法進行論述,。
①確保輸入信號的幅值不超過規(guī)定范圍,。過大的輸入或沖擊可能導致程序運行不正常,。在惡劣的電磁干擾干擾下工作時，應采用吸收,、濾波和隔離等技術對輸入的信號進行處理,，對于難于確定輸入范圍的模擬信號也應有相應的限幅措施。
?、贔149的輸出功率較小,，在有較多信號需要驅動時，應考慮在其外圍增加驅動芯片,，以減小F149的輸出電流,，這對于F149的穩(wěn)定運算是很有意義的,。同時,，對于與外部有較長引線的接口（如鍵盤,、LCD）,，驅動（緩沖）芯片，此時還能起到隔離電磁輻射干擾的作用,。
?、跢149未使用的引腳，應將其設置為輸入模式,，并將該引腳做接地處理,，這些措施有利于抗電磁輻射和靜電干擾。
?、苁褂脧臀恍酒瑏砜刂艶149的復位,；在成本允許的條件下，可外置-“看門狗”,，構成雙“看門狗”結構,，提高系統(tǒng)運行的可靠性。
?、萑缒苁褂蒙虡I(yè)化的交流電源濾波器,、LDO電源芯片、直流扼流圈等措施,，將使系統(tǒng)的電源抗瞬態(tài)干擾能力大幅增強。
MSP430F149是一款性價比極高的工業(yè)級芯片,，適當?shù)碾娐吩O計,，可使其可靠地工作在惡劣的電磁干擾環(huán)境下。筆者使用F149設計的系統(tǒng)已通過國家相關標準EMCIII級測試,。