【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系列單片機(jī)具有高效16位RISC內(nèi)核、27條指令、絕大多數(shù)指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。當(dāng)MSP430單片機(jī)工作在8 MHz晶振時(shí)，指令速度可達(dá)8 MIPS，此外，MSP430F149還具有16位硬件乘法器，大大增加了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。(2) 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊(3) 由于TI公司在高性能模擬器件方面有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并將其運(yùn)用在MSP430 系列單片機(jī)上，使得其外圍模塊非常豐富。SP430F149有自帶采樣保持功能的高速12位ADC12模塊，為數(shù)據(jù)采集提供了可靠保障；集成的看門(mén)狗定時(shí)器可以讓單片機(jī)在出現(xiàn)死機(jī)的情況下能夠自動(dòng)重啟，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；通用串行通信模塊的支持同步模式和異步模式，方便了與PC機(jī)得通信。(4) 方便靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境MSP430F149采用Flash型存儲(chǔ)器，可多次編程，其集成的片內(nèi)JTAG調(diào)試接口可以實(shí)現(xiàn)在線編程和調(diào)試。開(kāi)發(fā)時(shí)僅需PC機(jī)和JTAG調(diào)試器，專(zhuān)門(mén)的軟件開(kāi)發(fā)工具 IAR Workbench和可選的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言方便了系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。 為了數(shù)據(jù)的便于處理，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換采用的是MSP430F149內(nèi)嵌的ADC12，其主要特點(diǎn)有：(1)采樣速度高達(dá)200 kbit/s。 (2)12位轉(zhuǎn)換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差。 (3)內(nèi)置采樣與保持電路。 (4)配置有8路外部通道與4路內(nèi)部通道；具有16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)寄存器。ADC12的特點(diǎn)決定其完全能達(dá)到系統(tǒng)的快速性和可靠性的要求，同時(shí)它也簡(jiǎn)化了電路。MSP430F149單片機(jī)引腳圖如圖32所示。圖32 MSP430F149引腳分布圖MSP430F149內(nèi)部的ADC12單元共有12個(gè)轉(zhuǎn)換通道(其中8路外部通道與4路內(nèi)部通道)，通過(guò)A0～A7實(shí)現(xiàn)外部8路模擬信號(hào)的輸入，設(shè)有16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器ADC12MEM 用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。內(nèi)部 ADC12單元與外部的AD芯片相比，它不用端口之間進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸，而只是內(nèi)部寄存器的讀取，具有傳輸速度快和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但同樣由于芯片的高度集成，相鄰引腳間的干擾和波動(dòng)比較大。 MSP430F149引腳分布及工作方式(1)MSP430F149引腳分布見(jiàn)附錄A(2)(2)MSP430F149工作方式(硬件控制和軟件控制)通過(guò)對(duì)不同模塊操作模式和CPU狀態(tài)的智能管理，MSP430F149芯片的工作方式可以滿(mǎn)足多種超低電壓和超低功耗的需求，即使在中斷處理期間也一樣。一個(gè)中斷事件可以把系統(tǒng)從各種低功耗方式喚醒并且通過(guò)RETI指令回到中斷以前的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用的時(shí)鐘信號(hào)有ACLK和MCLK。ACLK就是晶振的頻率信號(hào)，SMCLK和是ACLK的倍頻信號(hào)，作為系統(tǒng)和子系統(tǒng)時(shí)鐘。下面是芯片支持的6種工作方式：(1)活動(dòng)方式(AM)：CPU和不同組合的外圍模塊被激活，處于活動(dòng)狀態(tài)。(2)低功耗方式0(LPM0)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK 的環(huán)路控制有效。(3)低功耗方式1(LPM1)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK 的環(huán)路控制無(wú)效。(4)低功耗方式2(LPM2)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK有效，ACLK和SMCLK 的環(huán)路控制無(wú)效。(5)低功耗方式3(LPM3)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，ACLK有效，ACLK和SMCLK 的環(huán)路控制無(wú)效，并且數(shù)子控制振蕩器(DCO)的DC發(fā)生器被關(guān)閉。(6)低功耗方式4(LPM4)：CPU停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作(如果提供外部時(shí)鐘)，ACLK信號(hào)被禁止(晶體振蕩器停止工作)，MCLK和SMCLK 的環(huán)路控制無(wú)效，并且數(shù)子控制振蕩器(DCO)的DC發(fā)生器被關(guān)閉。通過(guò)軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘的不同設(shè)置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)提供豐富的軟硬件組合方式，已達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的系統(tǒng)性能。具體有：(1)使用內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器(DOC)無(wú)需任何器件。(2)選擇外結(jié)晶體或陶瓷振蕩器，可以獲得最低頻率和功耗。(3)采用外部時(shí)鐘信號(hào)。(4)狀態(tài)寄存器SR中共有四個(gè)用于控制CPU和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的控制位，可以影響時(shí)鐘系統(tǒng)的操作方式，控制各種低功耗方式快速裝換。它們是：SCGSCG0、Oscff、和CPUOFF。如圖33所示。 圖33 系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的控制位 終上所述MSP430F149單片機(jī)既滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)響應(yīng)快速，高精度的設(shè)計(jì)要求，又做到了低電壓低功耗。很適合做本設(shè)計(jì)的控制處理中樞。 電源模塊 交直轉(zhuǎn)換模塊電源模塊為整個(gè)諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供必不可少的能量，是系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，電源電路的設(shè)計(jì)直接影響著系統(tǒng)的性能，所以電源的穩(wěn)定性和正確性十分關(guān)鍵。系統(tǒng)電源取于220 V市電，經(jīng)變壓器后輸出的16 V交流電經(jīng)全橋(DB107S)整流濾波得到比較平滑的177。12V直流電壓,后經(jīng)過(guò)TPS73801得到177。5V，滿(mǎn)足系統(tǒng)用電需求。各轉(zhuǎn)換模塊如圖3336所示。圖34 市電220V轉(zhuǎn)12V直流圖35 12V直流轉(zhuǎn)177。5V直流圖36 退耦電路所謂退耦，既防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流沖動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。退耦濾波電容的取值通常為47~200μF，退耦壓差越大時(shí)，電容的取值應(yīng)越大。所謂退耦壓差指前后電路網(wǎng)絡(luò)工作電壓之差。 如圖37為典型的RC退耦電路，R起到降壓作用。圖37 退耦電路大家看到圖中，在一個(gè)大容量的電解電容C1旁邊又并聯(lián)了一個(gè)容量很小的無(wú)極性電容C2。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诟哳l情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無(wú)論在介質(zhì)損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別（由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí)，電解電容相當(dāng)于一個(gè)電感線圈，不再起電容作用。在不少典型電路，如電源退耦電路，自動(dòng)增益控制電路及各種誤差控制電路中，均采用了大容量電解電容旁邊并聯(lián)一只小電容的電路結(jié)構(gòu)，這樣大容量電解電容肩負(fù)著低頻交變信號(hào)的退耦，濾波，平滑之作用；而小容量電容則以自身固有之優(yōu)勢(shì)，消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中，高頻寄生耦合。在這些電路中的這一大一小的電容均稱(chēng)之為退耦電容。還有些電路存在一些設(shè)置直流工作點(diǎn)的電阻，為消除其對(duì)于交流信號(hào)的耦合或反饋?zhàn)饔镁托枰谄渖喜⒙?lián)適當(dāng)?shù)碾娙輥?lái)減少對(duì)交流信號(hào)的阻抗。這些電容均起到退耦作用稱(chēng)之為退耦電容。 圖38 退耦電路耦合指信號(hào)由第一級(jí)向第二級(jí)傳遞的過(guò)程，一般不加注明時(shí)往往是指交流耦合。退耦是指對(duì)電源采取進(jìn)一步的濾波措施，去除兩級(jí)間信號(hào)通過(guò)電源互相干擾的影響。耦合常數(shù)是指耦合電容值與第二級(jí)輸入阻抗值乘積對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。退耦有三個(gè)目的：(1)將電源中的高頻紋波去除，將多級(jí)放大器的高頻信號(hào)通過(guò)電源相互串?dāng)_的通路切斷。(2)大信號(hào)工作時(shí)，電路對(duì)電源需求加大，引起電源波動(dòng)，通過(guò)退耦降低大信號(hào)時(shí)電源波動(dòng)對(duì)輸入級(jí)/高電壓增益級(jí)的影響。(3)形成懸浮地或是懸浮電源，在復(fù)雜的系統(tǒng)中完成各部分地線或是電源的協(xié)調(diào)匹配。 信號(hào)采集模塊諧波數(shù)據(jù)采集是諧波特征分析的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)的精確度直接影響著諧波分析結(jié)果，諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為諧波分析的載體，其良好的性能設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件設(shè)計(jì)電路的合理性決定著系統(tǒng)工作時(shí)的高精度和穩(wěn)定性。高效、穩(wěn)定和安全的軟件設(shè)計(jì)也直接影響著采集系統(tǒng)的性能。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介作為獲取信息的一種重要手段，數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)是指利用傳感器對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物理信號(hào)，如壓力、溫度、流量等模擬量(模擬信號(hào)) 進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(數(shù)字信號(hào)) 后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示或打印的過(guò)程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備，通常稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System，DAS)。歸納其主要任務(wù)為：A/D轉(zhuǎn)換，即將采集終端中傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以方便計(jì)算機(jī)識(shí)別處理；計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)根據(jù)不同的需要進(jìn)行計(jì)算處理，或進(jìn)一步將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印，來(lái)方便實(shí)現(xiàn)對(duì)有用物理量的控制和監(jiān)視。 按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信方式可以將采集系統(tǒng)分為兩大類(lèi)，即內(nèi)置式和外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線與計(jì)算機(jī)通信，常被做成板卡的形式安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部插槽上，因此容易受到諸如插槽數(shù)量、中斷資源、不易擴(kuò)展和不支持熱插拔等限制；外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的外部接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，常見(jiàn)的外部接口有RS232(Remended Standard 232)、USB(Universal Serial Bus)等。與內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比具有可靠性高、成本低、易擴(kuò)展、支持熱插拔、使用方便和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 信號(hào)采集電路總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和外圍模塊包括：模擬轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路、過(guò)零檢測(cè)電路。結(jié)構(gòu)圖如圖39所示。 過(guò)零比較器電壓信號(hào)調(diào)理模塊PTMSP430F149CT電流信號(hào)調(diào)理模塊圖39 采樣電路結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)須遵循一定的原則：測(cè)量諧波時(shí)，為了使原始信號(hào)不產(chǎn)生畸變，電壓互感器和電流互感器的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸挘豢紤]到系統(tǒng)要采集處理大量的數(shù)據(jù)，CPU的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中斷和數(shù)據(jù)通信中斷等，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應(yīng)能力；此外，微控制器芯片應(yīng)選擇低功耗和具有豐富集成外設(shè)功能的，電路設(shè)計(jì)上也應(yīng)本著低功耗和精簡(jiǎn)可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性。 過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)考慮周期信號(hào)的諧波分析中常用的采樣方法，同步采樣法分析簡(jiǎn)單易于操作但是難于實(shí)現(xiàn)；準(zhǔn)同步采樣法計(jì)算諧波參數(shù)簡(jiǎn)單但實(shí)時(shí)性差；非整周期采樣法雖然實(shí)時(shí)性好，但需要對(duì)其誤差深入討論。本課題對(duì)軟件同步采樣法進(jìn)行改進(jìn)，利用硬件過(guò)零檢測(cè)電路產(chǎn)生采集中斷信號(hào)輔助軟件周期采樣，大大降低了采樣同步偏差。如圖310為硬件過(guò)零中斷電路。圖310 硬件過(guò)零中斷電路 此電路原理為過(guò)零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號(hào)是數(shù)字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器，如上圖。上圖中集成運(yùn)放TL062工作在非線性狀態(tài)，因此當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)。其中是集成運(yùn)放的最大輸出電壓。簡(jiǎn)單過(guò)零比較器電路圖、傳輸特性、輸出特性如圖311所示。圖311 簡(jiǎn)單過(guò)零比較器電路連接、傳輸特性、輸出特性 模擬信號(hào)采集電路模擬量信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換共同組成了模擬量輸入模塊；其中模擬量信號(hào)采集又由隔離電路和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。采集到的交流電壓和交流電流經(jīng)過(guò)隔離電路和信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入MSP430F149的A/D通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)定的ADC輸入信號(hào)為0~ V 的單極性信號(hào)，因此由互感器轉(zhuǎn)化來(lái)的雙極性信號(hào)在送入ADC前應(yīng)進(jìn)行信號(hào)的抬升工作，另外，為了提高有效信息的分辨率還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的放大，這就需要在互感器和ADC間設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路以滿(mǎn)足對(duì)信號(hào)的抬升放大。設(shè)計(jì)選取了DVDI001臥式穿芯小型精密電壓互感器(Potential Transformer，PT)和TA14194臥式穿芯小型精密交流電流互感器(Current Transformer，CT)來(lái)來(lái)滿(mǎn)足以上要求。220 ~+ V的微信號(hào)。~+ V的抬升。如圖38上所示為此采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路。根據(jù)集成運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”原理及電壓電流運(yùn)算原則可分析得：若使輸出電壓不超出0~ V，可調(diào)節(jié)RY20和RY32，使－~+ V的抬升。 電路圖如圖312所示。圖312 模擬量采集系統(tǒng)電路 諧波檢測(cè)電路諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和采集到的數(shù)據(jù)的可靠性等問(wèn)題。對(duì)一路諧波采集時(shí)可選用RC帶通濾波電路。電路圖如圖313所示。圖313 RC帶通選頻電路衡量濾波器性能的參數(shù)一般有通頻帶帶寬，通帶中心頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)。 倍范圍內(nèi)上下兩個(gè)頻率為；增益為通帶中心頻率處的信號(hào)放大倍數(shù)。 上圖所示的電路圖中，增益1即不改變輸入信號(hào)幅值的大小時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足： 當(dāng)電容值都取100nF，取10K，時(shí)，得到通帶中心頻率，我們通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R3來(lái)調(diào)節(jié)通帶中心頻率到此時(shí)通頻帶。為測(cè)定系統(tǒng)所用選頻電路性能，做了以下測(cè)試：,接三次諧波(150Hz)選頻電路輸入端，調(diào)整正弦信號(hào)頻率用示波器，將電壓峰峰值折算為最大值不超過(guò)1的數(shù)據(jù)值即表中的轉(zhuǎn)換值，可觀察到該選頻電路傳輸系數(shù)為1，中心頻率為150Hz，通頻帶約為9Hz。實(shí)驗(yàn)表明，本文選取的選頻電路具有良好穩(wěn)定的帶通特性。由于本設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)易電能質(zhì)量檢測(cè)儀所以通過(guò)使用四雙向模擬開(kāi)關(guān)CD4066結(jié)合RC有源帶通濾波電路電路篩選出9次諧波。 圖314 CD4022與RC帶通濾波電路組成的選頻電路CD4066是四雙向模擬開(kāi)關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。引出端排列與CC4016一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。另外，導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)基本不變。CD4066由四個(gè)相互獨(dú)立的雙向開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè)控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)中的p和n器件在控制信號(hào)作用下同時(shí)開(kāi)關(guān)。這種結(jié)構(gòu)消除了開(kāi)關(guān)晶體管閥值電壓隨輸入信號(hào)的變化，因此在整個(gè)工作信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開(kāi)關(guān)相比，具有輸入信號(hào)峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 液晶顯示模塊 LCD1602簡(jiǎn)介1602液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在，哪里顯示字符，圖315是1602 的內(nèi)部顯示地址。圖315 LCD1602 內(nèi)部顯示地