基于MSP430低功耗故障指示器的研究

杜凱 馬倩 張瑾 李玉龍 李玉斌

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714185

摘要：本文針對電力行業(yè)標準規(guī)定的采用電池供電的故障指示器功耗低、使用壽命長的要求，進行了低功耗技術(shù)的研究。首先介紹了低功耗的重要性以及功耗產(chǎn)生的來源和特點，然后從故障指示器的硬件和軟件設(shè)計兩方面闡述了降低功耗的方法和注意點，最后展望了低功耗故障指示器的未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：MSP430；低功耗；故障指示器

電力線路故障指示器起源于二十世紀八十年代的德國，發(fā)明它的目的是為了指示電力線路短路電流流過的途徑，幫助人們查找到故障點。我國從九十年代開始引進和學(xué)習(xí)國外短路指示器的研制技術(shù)，隨著配電自動化建設(shè)不斷發(fā)展，故障指示器以其快速確定線路故障位置被廣泛應(yīng)用。通過故障指示器技術(shù)能夠大大減少尋找故障點的時間，有利于快速排除故障，恢復(fù)正常供電，提高供電可靠性。因此為了最大化利用故障指示器的優(yōu)勢，延長其使用壽命變成了問題的關(guān)鍵。

供電是故障指示器運行的基礎(chǔ)，針對電池供電型的故障指示器其壽命是有限的。鑒于鋰電池技術(shù)的緩慢發(fā)展步伐，當務(wù)之急是通過限制功耗來實現(xiàn)最佳電池使用壽命，于是低功耗便成了設(shè)計的關(guān)鍵。低功耗設(shè)計的重要性不僅僅是省電，同時降低了電源模塊和散熱模塊的成本，使產(chǎn)品小型化；減少了電磁輻射和熱噪聲，降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度；隨著設(shè)備溫度的降低，設(shè)備的壽命得以延長。

1 功耗理論分析

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，離不開低功耗的集成電路。CMOS集成電路以低功耗、速度快、抗干擾能力強、集成度高等眾多優(yōu)點，已成為當前大規(guī)模集成電路的主流工藝技術(shù)。以反相器為例，如圖1所示反相器的等效電路圖，COMS電路中的功耗是由三部分構(gòu)成的，如公式（1）所示。

PTotal=PDynamic+PShort+PLeakage（1）

其中PDynamic是電路翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動態(tài)功耗；PShort是P管和N管同時導(dǎo)通時產(chǎn)生的短路功耗；PLeakage是由擴散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流引起的靜態(tài)電流。

靜態(tài)功耗：COMS在靜態(tài)時，P、N管只有一個導(dǎo)通，由于沒有VDD到GND的直流通路，所以CMOS靜態(tài)功耗應(yīng)當?shù)扔诹?。但在實際中，由于擴散區(qū)和襯底形成的PN結(jié)上村存在反向漏電流，產(chǎn)生電路的靜態(tài)功耗，如公式（2）所示。

PLeakage=∑n（反向電流Il）×（電壓Vdd）（2）

其中：n為器件個數(shù)。

動態(tài)功耗：CMOS電路在“0”和“1”跳變過程中，會形成一條從Vdd通過P管網(wǎng)絡(luò)和負載電容到地的電流Id對負載電容進行充電，產(chǎn)生動態(tài)功耗，如公式（3）所示。

PDynamic=KCLV2ddf（3）

其中：K為單位時間內(nèi)平均跳躍個數(shù)；f為工作時鐘頻率；

短路功耗：CMOS電路在“0”和“1”的轉(zhuǎn)換過程中，若輸入波形為非理想波形時，反相器處于輸入波形的上升沿和下降沿的瞬間，P、N管會同時導(dǎo)通，產(chǎn)生一個由Vdd到Vss窄脈沖電流，從而引起功耗。

通常情況下靜態(tài)功耗占總功耗的1%以下，可以忽略不計，但如果整個系統(tǒng)長時間處于休眠狀態(tài)，這部分功耗需要進行考慮。短路功耗對于轉(zhuǎn)換時間非常短的電路，所占的比例可以很小，但對于一些轉(zhuǎn)換速度較慢的電路可以占到30%左右，平均大約在10%左右。動態(tài)功耗占整個功耗的比例大約為70%～90%。

由上述分析可知功耗是有規(guī)律可循，從功耗的表達式（1）（2）（3）可看出，在不影響電路性能的前提下，功耗主要取決于3個因素：工作電壓、工作頻率、負載電容。因此功耗優(yōu)化主要從減小Vdd、f和CL三方面著手。

2 故障指示器低功耗設(shè)計

2.1 微控制器的選擇

一種產(chǎn)品的設(shè)計從微控制器選擇入手，衡量微控制器的指標從CPU的性能和功耗、供電電壓和工作頻率、總線寬度，低功耗選擇原則：夠用即可，盡量選擇總線寬度小，供電電壓低，工作時鐘慢的。TI公司的MSP430系列是一個特別強超低功耗的單片機品種，其寬范圍的供電電壓、高度靈活的時鐘系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時喚醒以及智能的全自動外設(shè)不僅可以實現(xiàn)真正的超低耗優(yōu)化，同時還能顯著延長電池壽命。

基于故障指示器的設(shè)計選取了MSP430F5326單片機，其供電電壓1.8V～3.6V，CPU采用了16位精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。擁有一種活動模式和六種低功耗模式，采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的典型轉(zhuǎn)換時間3.5us，使得軟件處理上更加靈活，縮短程序運行時間，達到降低功耗的目的。

2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

故障指示器作為配電線路故障定位的有效工作，通過實時采樣線路負載電流對線路故障進行檢測，一旦有故障發(fā)生，立即通過無線射頻的方式將故障信息發(fā)送給上級系統(tǒng)，同時本地翻牌并控制的LED閃爍。加上MSP430集成片內(nèi)RAM、Flash、ADC等，需要的外圍設(shè)備很少，選擇靜態(tài)功耗很小的外圍設(shè)備更有效的降低系統(tǒng)的整體功耗，故障指示器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.3 功耗優(yōu)化措施

2.3.1 時鐘頻率優(yōu)化

MSP430F5326單片機有三個時鐘模塊： ACLK、MCLK、SMCLK，有五個時鐘源：XT1CLK、XT2CLK、VLOCLK、REFCLK、DCOCLK，其中XT1CLK是外部低頻時鐘，XT2CLK高頻時鐘，VLOCLK是片內(nèi)低頻時鐘，REFCLK是片內(nèi)低頻時鐘，DCOCLK是片內(nèi)數(shù)字控制振蕩器。三個時鐘模塊的工作頻率由以上五種時鐘源通過軟件進行配置。如前所述，系統(tǒng)時鐘對于功耗大小有非常明顯的影響。除了著重于滿足性能的需求外，還必須考慮如何動態(tài)地設(shè)置時鐘來達到功率的最大程度節(jié)約。結(jié)合故障指示器的工作模式和功耗考慮，對時鐘源的選擇進行了試驗研究，最終采取以XT1CLK32.768KHz經(jīng)過分頻或者倍頻的方式提供給系統(tǒng)的各個模塊，比如經(jīng)過分頻提供給采樣回路的工作頻率是400Hz，經(jīng)過倍頻提供給CPU的工作頻率為1MHz等，此種配置下達到模塊時鐘獨立化，在滿足各自性能的同時又能降低功耗。

除了靈活的時鐘系統(tǒng)，MSP430還具備7種不同的工作模式，活動模式（AM）、低功耗模式LPM0、低功耗模式LPM1 、 低 功 耗 模式 LPM2、待機模式LPM3、休眠模式LPM4、關(guān)機模式LPM4.5。選用哪種工作模式，由 CPU 的狀態(tài)寄存器 SR 中的 SCG0、 SCG1、 OscOff和 CPUOFF 位控制[5]。根據(jù)MSP430的用戶手冊分析出各個工作模式的功耗消耗情況如圖3所示，通過圖中可以看出微控制器在低功耗模式下工作明顯要比活動模式的功耗低，所以在軟件設(shè)計上盡量保持CPU處于低功耗模式，當需要激活CPU時，通過中斷的方式觸發(fā)CPU進入活動模式，當CPU處理完事務(wù)再次恢復(fù)到低功耗模式工作。軟件控制流程如圖3所示。

2.3.2 供電電壓優(yōu)化

根據(jù)功耗理論分析可知系統(tǒng)的工作電壓是影響功耗的最大因素，在不降低性能的前提下，可盡可能的降低工作電壓。MSP430的工作電壓本身就要求很低，而且范圍比較寬，但為了滿足其它外設(shè)的工作要求，采取了兩節(jié)3.6V的ER17335高容量鋰亞硫酰氯電池并聯(lián)的方式供電，并通過DCDC模塊實現(xiàn)3.6V轉(zhuǎn)3.3V供單片機使用。

2.3.3 A/D采樣優(yōu)化

故障指示器在實際線路中要實時采集線路的電流值，因此A/D采樣和轉(zhuǎn)換需要消耗不少的電量。MSP430內(nèi)部集成了ADC且功耗本身就低，只需要外圍增加A/D采樣回路便能完成線路電流的采集。在硬件設(shè)計上并沒有采用芯片內(nèi)部提供的基準電壓， 而是采用TI的REF3325將3.6V轉(zhuǎn)換為2.5V，REF3325功耗低且受環(huán)境的影響小，轉(zhuǎn)換出來的基準電壓比較穩(wěn)定，同時經(jīng)過測試此種方式的功耗更低。軟件設(shè)計中使用400Hz作為采樣頻率，為了減少運行量，每周波采樣8點，連續(xù)6次DFT作為采樣的結(jié)果，采樣結(jié)束后通過中斷激活CPU進行數(shù)據(jù)處理，CPU處理結(jié)束后再進入休眠模式。

2.3.4 I/O端口控制優(yōu)化

MSP430F5326芯片擁有65個引腳，由于故障指示器的特殊功能要求，基本有一半的引腳都用不上，不用的I/O引腳懸空會使外界干擾形成反復(fù)振蕩的輸入信號，造成電量的浪費。所以將不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出。

2.3.5 無線模塊優(yōu)化

故障指示器會根據(jù)上級系統(tǒng)的定時總召喚上傳數(shù)據(jù)，或者發(fā)生故障后主動將故障信息上報給上級系統(tǒng)，而兩者之間是通過無線射頻的方式通信，降低通信的動態(tài)功耗以及無線模塊的靜態(tài)功耗是研究方向。相對于傳統(tǒng)的CC1101芯片，選取了更低功耗的SX1212射頻芯片，其采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，使抗干擾和靈敏度都大大提高，模塊電壓范圍為2.1～36V，由電池電壓3.6V經(jīng)過DCDC模塊轉(zhuǎn)換3.3V供電，在接收狀態(tài)僅僅消耗5.5mA，有四種工作模式：正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式，在1SEC周期輪詢喚醒省電模式下，接收僅僅消耗不到20uA。在軟件處理上保持模塊大部分時間處于省電模式，具體優(yōu)化過程如下：射頻模塊初始化完成后，通過設(shè)置SX1212的SET_A置1和SET_B置0將模塊處于省電模式，當主模塊（上級系統(tǒng)中的SX1212射頻模塊）發(fā)送數(shù)據(jù)，從模塊（故障指示器的射頻模塊）喚醒后接收數(shù)據(jù)，完成后使能AUX腳將MSP430的MCU喚醒，再將數(shù)據(jù)輸出，MCU接收到數(shù)據(jù)后，可將從模塊切換至正常模式，應(yīng)答主模塊，應(yīng)答結(jié)束后，若后續(xù)無數(shù)據(jù)交換將從模塊再次切換至省電模式下，等待下一次的喚醒。

2.3.6 軟件運算量優(yōu)化

程序運算量越大，單位時間內(nèi)消耗的能量就越多，功耗就越大。復(fù)雜的函數(shù)運算通過簡單函數(shù)和數(shù)據(jù)表格相結(jié)合的方式實現(xiàn)，比如開根號函數(shù)。當一個大數(shù)據(jù)需要開根號運算，需要先查找根號對應(yīng)表中是否存在，若存在，則直接取出開根號后的值；若不存在則進入開根號函數(shù)進行運算，運算的結(jié)果保存在根號對應(yīng)表中，以便減輕后期的運算量，讓CPU有更多的休眠時間，進而降低功耗。

2.4 實驗數(shù)據(jù)

為了形象直觀的監(jiān)測故障指示器從初始化開始到休眠模式再到活動模式整個過程的功耗情況，同時保證測試的準確性，并沒有將萬用表調(diào)至電流檔位直接串聯(lián)入供電線路，而是使用進口示波器測量串聯(lián)入供電線路精密電阻兩端電壓的方法，這樣可以測出裝置在各個工作模式下電阻兩端的電壓值，再處于電阻值即可得到各個階段的工作電流。具體工作電流測試數(shù)據(jù)如下表所示。

2.5 低功耗設(shè)計

為滿足指示單元體積設(shè)計輕巧、易于安裝、降低成本，采用一次性2Ah電池供給。為更好的節(jié)約電池，選取MSP430低功耗芯片作為指示單元的控制器，通過軟硬件低功耗設(shè)計，達到降低功耗的作用。指示單元的CPU絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，最低電流可達到15μA，只有線路發(fā)生故障進入故障檢測中斷才能將其喚醒，此情況下的靜態(tài)電流小于40μA，中斷程序結(jié)束后，CPU進入休眠狀態(tài)保持低功耗模式。按照指示單元最大工作電流40μA算起，指示單元最少在線運行2*1000*1000/（40*24*365）=5.7年，按照平均工作電流25μA，其在線運行時間5.7*40/25=9.12年，這種設(shè)計方案指示單元的使用壽命基本可以保證，同時性價比更高。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了其設(shè)計的目的、系統(tǒng)的主要內(nèi)容和工作原理以及關(guān)鍵技術(shù)，通過理論分析和實踐證實了該系統(tǒng)適應(yīng)于架空線路的在線監(jiān)測和故障定位，有效的解決了故障定位難的問題，同時通過系統(tǒng)主站的可視化界面進一步簡化了工作人員的巡檢工作，為配電網(wǎng)的日常運行維護和故障搶修提供了重要的數(shù)據(jù)支持，降低了人為因素造成的損失，縮短了巡線時間，提高了工作效率及供電可靠率。該系統(tǒng)作為一種架空線路配電自動化工程建設(shè)，應(yīng)加以推廣市場，促進智能電網(wǎng)建設(shè)進一步發(fā)展。