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基于MSP430低功耗单片机在故障指示器上的应用

时间:2013-12-05 09:57 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:刘思宇 点击次数:

  摘要:本文介绍了,电力线路故障指示器使用MSP430低功耗单片机方面的应用,提出了一些实际应用的算法及见解,注重低功耗的特点与应用示例。
  关键词:MSP430;故障指示器低功耗;低功耗应用示例
  1故障指示器与MSP430F5510单片机的应用背景
  故障指示器源于二十世纪八十年代的德国,故障指示器安装于架空电力线路与电缆电力线路上,主要用于在线检测、指示短路和单相接地故障的智能装置。故障指示器在实际应用中,受到安装位置、供电的限制,可以采取电池供电,CT取电,超级电容储能等多种方式,但是在没有条件外部供电的时段只能依靠电池供电,本文着重介绍超低功耗单片机MSP430F5510在电池供电下的应用。
  MSP430F5510单片机为高精度,16位单片机系统,RSIC指令集,执行速度快。芯片外设丰富,定时器、比较器、AD、超低功耗,封装小,便于集成。在电力线路故障指示器上,为满足国家电网对于使用寿命,超低功耗的相关标准[1],本设计的主控单元采用了MSP430F5510。
  2硬件电路设计
  ⑴电力线路电流采集,使用互感器进行变换,经过信号处理后,送入MSP430F5510的AD进行采集。⑵MSP430F5510单片机通过互感器将采集到电流的数据,经过一定检测、保护算法的处理后,通过无线单元发送到上级接收系统。⑶MSP430F5510单片机将检测到的电力线路的状态,通过显示控制单元,点亮特殊的编码的LED,进行显示。⑷MSP430F5510单片机,无线通信单元,3.3V供电。系统供电,采用两种方式共同使用,一是磷酸铁锂电池,使用的是3.6V,6Ah,通过稳压电路供电;二是互感器取电,利用超级电容,通过TI的LDO芯片进行电压变换成3.3V,供故障指示器使用。
  3系统软件设计
  系统软件的核心是使MSP430F5510单片机,超低功耗状态,利用优化后的数据算法,保证故障指示器的正常功能,达到检测电力线路故障的目的。
  主要采用:⑴在没有检测到电力线路故障的情况下,关断无线通信单元,将MSP430F5510相应的GPIO端口通过内部控制下拉到地,降低功耗。⑵MSP430F5510AD单片机的参考电压,使用AVCC,关断AVref,降低参考电流消耗。⑶单片机启动后,将所有无关GPIO端口下拉到地,降低功耗。⑷关闭MSP430F5510USB功能,降低功耗。⑸关闭MSP430F5510测量温度功能,降低功耗。⑹将MSP430F5510设置为LPM3低功耗模式,通过外部比较器,触发故障指示器的检测功能。
  4故障指示器功耗实际测试
  实际参数如下:⑴MSP430启动,所有GPIO输出置低,关闭USB功能,进入LPM3模式,功耗:4.93uA,此时是在无线模块标称LDC状态下,功耗1uA,此时CPU模式使用内部时钟。⑵MSP430芯片驱动初始化,GPIO初始化,未连接无线模块,进入LPM3模式,功耗5.9uA,此时包括无线模块LDC模式1uA。⑶完整测试,带AD采样,使用Avref做基准,每周波采样10点,功耗43.9uA,此时使用内部基准需要增加22uA功耗。⑷完整测试,带AD采样,使用AVCC做基准,每周波采样10点,功耗25.8A。⑸完整测试,带AD采样,使用AVCC做基准,每周波采样10点,关闭芯片内部测量温度功能,功耗19.86A,此时关闭温度测量内部基准节省功耗3.5uA。
  经过分析计算后:⑴磷酸铁锂电池容量6Ah,使用年限分析如下:磷酸铁锂电池漏电流按照每年电池容量2%计算,磷酸铁锂电池,受高温,低温,电池出厂时容量的不一致性影响,实际的使用容量按照标称值50%容量,即3Ah计算。
  ⑵整个故障指示器,实际功耗为MSP430单片机在LPM模式自身功耗25.8uA,系统无线通信功能每25秒启动一次,持续7.8ms,功耗18mA,平均计算下来,增加功耗为7.8/(25*1000)*18*1000=0.000312.*18*1000=5.616uA.即正常运行,平均功耗为25.8uA+5.6uA=31.4uA。我们下面按照32uA计算实际使用年限。
  ⑶不计算漏电流2%。3Ah可使用年限为:
  3*1000*1000/32=93750h(可使用93750小时,折合时间为10.702年)
  按照每年漏电流2%计算,如下:
  (每年固定电量消耗32uA*365*24=0.28032Ah,漏电流平均按照年初容量的1.8%计算)
  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,故障指示器在仓库放置8年之后还能正常使用。
  [参考文献]
  [1]参考DLT721-2000配电网自动化系统远方终端.
  [2]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.出版社:北京航空航天大学出版社,出版日期:2000年6月.
  [3]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.出版社:清华大学出版社,出版日期:2004年11月1日.
  [4]李文辉.基于MSP430单片机的超声波倒车雷达监测报警系统设计.兰州理工大学电气工程与信息工程学院.2010年09月26日.

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