基于MSP430低功耗單片機在故障指示器上的應用

2013-12-31 00:00:00劉思宇

無線互聯科技 2013年10期

摘要：本文介紹了，電力線路故障指示器使用MSP430低功耗單片機方面的應用，提出了一些實際應用的算法及見解，注重低功耗的特點與應用示例。

關鍵詞：MSP430；故障指示器低功耗；低功耗應用示例

1 故障指示器與MSP430F5510單片機的應用背景

故障指示器源于二十世紀八十年代的德國，故障指示器安裝于架空電力線路與電纜電力線路上，主要用于在線檢測、指示短路和單相接地故障的智能裝置。故障指示器在實際應用中，受到安裝位置、供電的限制，可以采取電池供電，CT取電，超級電容儲能等多種方式，但是在沒有條件外部供電的時段只能依靠電池供電，本文著重介紹超低功耗單片機MSP430F5510在電池供電下的應用。

MSP430F5510單片機為高精度，16位單片機系統，RSIC指令集，執行速度快。芯片外設豐富，定時器、比較器、AD、超低功耗，封裝小，便于集成。在電力線路故障指示器上，為滿足國家電網對于使用壽命，超低功耗的相關標準[1]，本設計的主控單元采用了MSP430F5510。

2 硬件電路設計

⑴電力線路電流采集，使用互感器進行變換，經過信號處理后，送入MSP430F5510的AD進行采集。⑵MSP430F5510單片機通過互感器將采集到電流的數據，經過一定檢測、保護算法的處理后，通過無線單元發送到上級接收系統。⑶MSP430F5510單片機將檢測到的電力線路的狀態，通過顯示控制單元，點亮特殊的編碼的LED，進行顯示。⑷MSP430F5510單片機，無線通信單元，3.3V供電。系統供電，采用兩種方式共同使用，一是磷酸鐵鋰電池，使用的是3.6V，6Ah，通過穩壓電路供電；二是互感器取電，利用超級電容，通過TI的LDO芯片進行電壓變換成3.3V，供故障指示器使用。

3 系統軟件設計

系統軟件的核心是使MSP430F5510單片機，超低功耗狀態，利用優化后的數據算法，保證故障指示器的正常功能，達到檢測電力線路故障的目的。

主要采用：⑴在沒有檢測到電力線路故障的情況下，關斷無線通信單元，將MSP430F5510相應的GPIO端口通過內部控制下拉到地，降低功耗。⑵MSP430F5510AD單片機的參考電壓，使用AVCC，關斷AVref，降低參考電流消耗。⑶單片機啟動后，將所有無關GPIO端口下拉到地，降低功耗。⑷關閉MSP430F5510USB功能，降低功耗。⑸關閉MSP430F5510測量溫度功能，降低功耗。⑹將MSP430F5510設置為LPM3低功耗模式，通過外部比較器，觸發故障指示器的檢測功能。

4 故障指示器功耗實際測試

實際參數如下：⑴MSP430啟動，所有GPIO輸出置低，關閉USB功能，進入LPM3模式，功耗：4.93uA，此時是在無線模塊標稱LDC狀態下，功耗1uA，此時CPU模式使用內部時鐘。⑵MSP430芯片驅動初始化，GPIO初始化，未連接無線模塊，進入LPM3模式，功耗5.9uA，此時包括無線模塊LDC模式1uA。⑶完整測試，帶AD采樣，使用Avref做基準，每周波采樣10點，功耗43.9uA，此時使用內部基準需要增加22uA功耗。⑷完整測試，帶AD采樣，使用AVCC做基準，每周波采樣10點，功耗25.8A。⑸完整測試，帶AD采樣，使用AVCC做基準，每周波采樣10點，關閉芯片內部測量溫度功能，功耗19.86A，此時關閉溫度測量內部基準節省功耗3.5uA。

經過分析計算后：⑴磷酸鐵鋰電池容量6Ah，使用年限分析如下：磷酸鐵鋰電池漏電流按照每年電池容量2%計算，磷酸鐵鋰電池，受高溫，低溫，電池出廠時容量的不一致性影響，實際的使用容量按照標稱值50%容量，即3Ah計算。

⑵整個故障指示器，實際功耗為MSP430單片機在LPM模式自身功耗25.8uA，系統無線通信功能每25秒啟動一次，持續7.8ms，功耗18mA，平均計算下來，增加功耗為7.8/（25*1000）*18*1000=0.000312.* 18*1000=5.616uA.即正常運行，平均功耗為25.8uA+5.6uA=31.4uA。我們下面按照32uA計算實際使用年限。

⑶不計算漏電流2%。3Ah可使用年限為：

3*1000*1000/32=93750h（可使用93750小時，折合時間為10.702年）

按照每年漏電流2%計算，如下：

（每年固定電量消耗32uA*365*24=0.28032Ah，漏電流平均按照年初容量的1.8%計算）

第一年末0.28032Ah+6A*1.8%=0.388326-0.38832=5.61168

第二年末0.28032Ah+5.6A*1.8%=0.381125.61168-0.38112=5.23056

第三年末0.28032Ah+5.2*1.8%=0.373925.23056-0.37392=4.85664

第四年末0.28032Ah+4.86A*1.8%=0.36784.85664-0.3678=4.48884

第五年末0.28032Ah+4.49A*1.8%=0.361144.48884-0.36114=4.1277

第六年末0.28032Ah+4.1A*1.8%=0.354124.1277-0.35412=3.77358

第七年末0.28032Ah+3.77A*1.8%=0.348183.77358-0.34818=3.4254

第八年末0.28032Ah+3.4A*1.8%=0.341523.4254-0.34152=3.08388 按照以上推算，故障指示器在倉庫放置8年之后還能正常使用。