基于MSP430低功耗单片机在故障指示器上的应用
2022-06-08
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.
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.