作者：刘小端,曾国宏
摘要:
  本文介绍了以MSP430F149 单片机为核心研制的一种智能电力监测仪，该监测仪具有低成本、低功耗、多功能等特点，并对其硬件和软件结构作了详细分析。
引言
     为保证电网安全运行并了解电网的运行状况，需要对电网的各种运行参数进行适时监测。微机技术在电力系统中的普及应用，使电力系统的测量和监控技术得到了快速发展。采用微机交流采样来测量电流、电压、有功、无功等电量既经济又可靠。但在实际应用中，由于监控仪表大多采用单片微机和时域的计算方法，数据处理能力差，运算速度慢，当电网出现谐波或三相电路不平衡时，无功功率存在不平衡误差，精度下降。高性能的数字信号处理器(DSP)应用于电力系统自动化是发展方向，但使用DSP 又存在开发周期长、成本高的问题。为了使电力系统监测仪表有一个较高的性价比，本文介绍一种基于 MSP430F149 的低成本多功能全电子式电力系统监测仪。
硬件设计
     本设计使用的MSP430F149 单片机属于德州仪器公司MSP430F13X /14X FLASH 系列。该系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号组成， 微控制器可使用电池长期工作，电压范围1.8～3.6Ｖ。由于具有16位RISC 结构，16 位寄存器和常数寄存器， MSP430 达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于6ms。MSP430F14X 带有两个16 位定时器（带看门狗功能）、速度极快的 8 通道12 位A/D 转换器(ADC)(带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口(均可独立控制)的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能并使单片机在编码和硬件上可兼容。MSP430 FLASH 擦写次数高达10 万次，强力抗干扰。 MSP430F149 有60KB 的FLASH ROM 和2KB 的RAM。其中FLASH 又分为120 段(每段512B)的主存储器和两段(每段128B)的信息存储器。 FLASH 可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软、硬件设计都带来了极大的便利和灵活性。 MSP430F14X的A/D 转换器ADC12 采用逐次逼近原理，12 位分辨率，高2位由电阻网络获得，低10 位由电容网络获得，最高采样速率可达2 × 105 次/s。ADC12 有内置的采样保持电路，8个内部模拟输入通道，每个通道可独立选择内外正负参考电压源。片内有16组采样寄存器，其中一个16位寄存器存放转换结果，一个 8 位寄存器存放采样通道号、参考电压选择及序列标志。用户可以预先设置好通道顺序及参数，并用序列标志指明序列的结束位置，这一结构可以大大减少采样控制软件的成本。鉴于MSP430F149 单片机的以上特点，测周期电路选用内部模拟比较器，采样选择内部ADC，并且外部不用扩展存储器和I/O 口。图1为系统硬件框图，可以看出外围设备得到了简化。
通信协议
     本设计采用基于ModBus 总线的通信, 使信息和数据在上位机(主站）和电力监测仪之间有效地传递。其作用包括：（1）允许主站访问和设定所接电力监测仪的全部设置参数；（2）允许访问电力监测仪的所有测量数据。 ModBus 是一种工业应用广泛的开放式现场总线协议，可以利用RS-232或者RS-485进行通信。基本通信方式是一条通信线路上只能有一个主站控制通信，由主站发出数据请求指令，而子站响应主站的数据请求信号。在一个时刻只能有一个子站响应主站的请求。数据传送采用ASCII码，8位数据位，无校验，1个停止位。每个ModBus数据包由子站地址、功能、数据和错误验4个部分组成。
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