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：本文針對電力行業標準規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，進行了低功耗技術的研究。首先介紹了低功耗的重要性以及功耗產生的來源和特點，然后從故障指示器的硬件和軟件設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展前景。

關鍵詞：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習國外短路指示器的研制技術，隨著配電自動化建設不斷發展，故障指示器以其快速確定線路故障位置被廣泛應用。通過故障指示器技術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勢，延長其使用壽命變成了問題的關鍵。

供電是故障指示器運行的基礎，針對電池供電型的故障指示器其壽命是有限的。鑒于鋰電池技術的緩慢發展步伐，當務之急是通過限制功耗來實現最佳電池使用壽命，于是低功耗便成了設計的關鍵。低功耗設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，使產品小型化；減少了電磁輻射和熱噪聲，降低了系統的實現難度；隨著設備溫度的降低，設備的壽命得以延長。

1 功耗理論分析

系統的低功耗設計，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、集成度高等眾多優點，已成為當前大規模集成電路的主流工藝技術。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成的，如公式（1）所示。

PTotal=PDynamic+PShort+PLeakage（1）

其中PDynamic是電路翻轉時產生的動態功耗；PShort是P管和N管同時導通時產生的短路功耗；PLeakage是由擴散區和襯底之間的反向偏置漏電流引起的靜態電流。

靜態功耗：COMS在靜態時，P、N管只有一個導通，由于沒有VDD到GND的直流通路，所以CMOS靜態功耗應當等于零。但在實際中，由于擴散區和襯底形成的PN結上村存在反向漏電流，產生電路的靜態功耗，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。

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

PDynamic=KCLV2ddf（3）

其中：K為單位時間內平均跳躍個數；f為工作時鐘頻率；

短路功耗：CMOS電路在“0”和“1”的轉換過程中，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管會同時導通，產生一個由Vdd到Vss窄脈沖電流，從而引起功耗。

通常情況下靜態功耗占總功耗的1%以下，可以忽略不計，但如果整個系統長時間處于休眠狀態，這部分功耗需要進行考慮。短路功耗對于轉換時間非常短的電路，所占的比例可以很小，但對于一些轉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計

2.1 微控制器的選擇

一種產品的設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、多種低功耗模式、即時喚醒以及智能的全自動外設不僅可以實現真正的超低耗優化，同時還能顯著延長電池壽命。

基于故障指示器的設計選取了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，集成有16位寄存器和常數發生器，發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，采用數字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的典型轉換時間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 系統框架設計

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，一旦有故障發生，立即通過無線射頻的方式將故障信息發送給上級系統，同時本地翻牌并控制的LED閃爍。加上MSP430集成片內RAM、Flash、ADC等，需要的外圍設備很少，選擇靜態功耗很小的外圍設備更有效的降低系統的整體功耗，故障指示器的系統框圖如圖2所示。

2.3 功耗優化措施

2.3.1 時鐘頻率優化

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是片內低頻時鐘，REFCLK是片內低頻時鐘，DCOCLK是片內數字控制振蕩器。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地設置時鐘來達到功率的最大程度節約。結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經過分頻或者倍頻的方式提供給系統的各個模塊，比如經過分頻提供給采樣回路的工作頻率是400Hz，經過倍頻提供給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，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、關機模式LPM4.5。選用哪種工作模式，由 CPU 的狀態寄存器 SR 中的 SCG0、 SCG1、 OscOff和 CPUOFF 位控制[5]。根據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CPU進入活動模式，當CPU處理完事務再次恢復到低功耗模式工作。軟件控制流程如圖3所示。

2.3.2 供電電壓優化

根據功耗理論分析可知系統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的工作要求，采取了兩節3.6V的ER17335高容量鋰亞硫酰氯電池并聯的方式供電，并通過DCDC模塊實現3.6V轉3.3V供單片機使用。

2.3.3 A/D采樣優化

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采樣和轉換需要消耗不少的電量。MSP430內部集成了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。在硬件設計上并沒有采用芯片內部提供的基準電壓， 而是采用TI的REF3325將3.6V轉換為2.5V，REF3325功耗低且受環境的影響小，轉換出來的基準電壓比較穩定，同時經過測試此種方式的功耗更低。軟件設計中使用400Hz作為采樣頻率，為了減少運行量，每周波采樣8點，連續6次DFT作為采樣的結果，采樣結束后通過中斷激活CPU進行數據處理，CPU處理結束后再進入休眠模式。

2.3.4 I/O端口控制優化

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引腳要設置成輸出。

2.3.5 無線模塊優化

故障指示器會根據上級系統的定時總召喚上傳數據，或者發生故障后主動將故障信息上報給上級系統，而兩者之間是通過無線射頻的方式通信，降低通信的動態功耗以及無線模塊的靜態功耗是研究方向。相對于傳統的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經過DCDC模塊轉換3.3V供電，在接收狀態僅僅消耗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，具體優化過程如下：射頻模塊初始化完成后，通過設置SX1212的SET_A置1和SET_B置0將模塊處于省電模式，當主模塊（上級系統中的SX1212射頻模塊）發送數據，從模塊（故障指示器的射頻模塊）喚醒后接收數據，完成后使能AUX腳將MSP430的MCU喚醒，再將數據輸出，MCU接收到數據后，可將從模塊切換至正常模式，應答主模塊，應答結束后，若后續無數據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 軟件運算量優化

程序運算量越大，單位時間內消耗的能量就越多，功耗就越大。復雜的函數運算通過簡單函數和數據表格相結合的方式實現，比如開根號函數。當一個大數據需要開根號運算，需要先查找根號對應表中是否存在，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進行運算，運算的結果保存在根號對應表中，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 實驗數據

為了形象直觀的監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，并沒有將萬用表調至電流檔位直接串聯入供電線路，而是使用進口示波器測量串聯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據如下表所示。

2.5 低功耗設計

為滿足指示單元體積設計輕巧、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，最低電流可達到15μA，只有線路發生故障進入故障檢測中斷才能將其喚醒，此情況下的靜態電流小于40μA，中斷程序結束后，CPU進入休眠狀態保持低功耗模式。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 結論

本文設計了一種架空線路故障在線監測系統，闡述了其設計的目的、系統的主要內容和工作原理以及關鍵技術，通過理論分析和實踐證實了該系統適應于架空線路的在線監測和故障定位，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，為配電網的日常運行維護和故障搶修提供了重要的數據支持，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。該系統作為一種架空線路配電自動化工程建設，應加以推廣市場，促進智能電網建設進一步發展。