基于MSP430单片机的信号检测装置的设计与实现_张利

波后的信号幅值适应于 AD 输入端的要求，还需要 将滤波后的信号进行再放大。笔者采用 OPA2340 芯片，用单电源供电方式，对滤波后的信号进行可变 增益放大，电路如图 5 所示。
图 5 放大电路接法
3. 2 单片机部分的相关实现 选用 MSP430G2553 单片机作为主控芯片，对滤
波后的信号进行采样、分析、计算，最后把分析结果 传送至液晶显示。
1 信号感应检测基本理论
电流感应检测方式是通过检测电流周围空间磁 场的强度来获得线路电流大小的方法。根据磁介质
∮ ∑ 中的安培环路定理［5］ Bdl = μ0 I，则电流 I 的长
L
内
导线周围任一点的磁感强度 B = 2μπ0 Ir，若截面垂直
于磁力线方向，如图 1 所示截面 S1 ，那么 S1 中磁通
该检测装置由空心线圈和检测电路构成，其中 空心线圈 L 由多匝漆包导线环绕而成，用来感应空
3. 1 放大滤波电路的设计 感应出的信号一般比较微弱，且带有各种频率
的干扰信号，因此在将信号接入单片机的 AD 输入 端之前，需要做放大和滤波处理。
周围的 50 Hz 信号干扰非常严重，因此滤波电 路至关重要，选用 BB 公司的 UAF42 滤波芯片接成 一个中心频率为 60 Hz 的带通滤波器。该芯片是一 个二阶有源滤波器，内部包含 4 个精密集成运放，具 有输入偏置电流失调电流小、噪声低、开环增益高、 转换速率高等特点，只需很少的外部器件便可组成 低通、高 通、带 通、带 阻 滤 波 器 中 的 任 意 一 种［6］。 UAF42 的带通滤波接法见图 4。
笔者采用 MSP430 单片机作为主控芯片，利用
收稿日期： 2012-09-10 基金项目： 北京市教委科技面上项目 （ KM201110772012） 作者简介： 张 利（ 1979—） ，女，辽宁黑山县人，博士，讲师，研究方向为电力系统分析与控制。
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北京信息科技大学学报
第 27 卷
磁场检测的原理，设计了固定频率的交流信号检测 装置。该装置具有原理简单、功率功耗小、使用方便 等特点，具有很强的实用性。
第5 期
张 利等： 基于 MSP430 单片机的信号检测装置的设计与实现
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图 4 UAF42 的滤波器接法
选择 RG = RQ，并且已知 R1 = R2 = R4 = 50 kΩ，
计算带通的传递函数 Au 为
Au（ s）
=
sC2A RF2
s2 C1A RF1 C2A RF2
+
RG R1
sC2A
R
Abstract： In order to solve the problem of fault location of single-phase-to-ground for distribution networks，the signal detection device is designed and realized in this paper，The magnetic field detection is taken to get the current signal． The active filter chip is used to process the signal by connecting a second-order band-pass filter． MSP430 microcontroller is chosen to process the data and display the result． The circuit structure is simple，low in power consumption，and fit to be used on portable devices．
摘
要： 为了解决中低压配电网单相接地故障的定位问题，设计并实现了交流法的信号
检测装置。采用空间磁场感应的检测方式获取电流信号，用有源滤波芯片接成二阶带通滤波器对
信号进行处理，采用 MSP430 单片机实现数据的处理与显示控制。电路结构简单、功耗低，利于在
便携设备中采用。
关 键 词： 配电网； 故障定位； 磁场检测； 有源滤波
图 2 线路电流检测示意图
间磁场的变化。检测电路的原理如图 3 所示。
图 3 检测器的原理框图
L 为交流信号传感器，放置在导线下方，与磁场 方向垂直，用来感应电流信号。感应出的信号十分 微弱且带有各种频率的干扰信号，需要进行带通有 源滤波，只保留 60 Hz 的有用信号并放大，对其他信 号进 行 衰 减。 放 大、滤 波 后 的 信 号 直 接 送 入 到 MSP430 单片机的 AD 输入端，通过单片机对输入信 号采样、分析和处理，最后将结果显示在液晶屏上。
测量位置对所测量的结果影响较大，但测量距 离是客观因素，无法人为改变。因此笔者在测量装 置上入手，提高滤波的质量和检测的精度，来减小不 必要的检测误差，使得结果更好地反映线路上电流 的大小关系。
3 各单元电路实现
图 1 感应磁场检测原理图
2 方案设计
根据上面的分析，可设计线路上电流的检测方 式如下： 在线路正下方用一多匝线圈，其截面与磁力 线方面相垂直（ 如图 2 所示） ，则在线圈上感应出电 动势，再 通 过 对 该 信 号 的 放 大、带 通 滤 波，接 入 到 MSP430 单片机的 AD 输入端，并对其采样计算出线 路上电流的大小。
i = I0 cos ωt，那么将在线圈中产生感应电动势
e
=
－
dφ dt
=
－
nCωI0 sin
ωt
（ 2）
其中 e 为交变电动势，其幅值和电流 i 的幅值成正 比，因此可以通过该电动势的大小来检测导线中电 流的大小。若截面和磁力线方向平行，如 S2 所示截 面，则截面中没有磁通量，也不会产生任何电势。
L0 +L
∫ ∫ φ =
Bds =
L0
μ0
Ih dl
2πl
=
μ20πIhln（
L0 + L0
L ）
（ 1）
保 持 截 面 S1 与 导 线 间 距 离 不 变，则
μ20πhln（
L0 + L0
L ）
为常数，用 C 替代。
如果截面线圈匝数为 n，则磁链 φ = nφ = Cni，
根据电磁感应定律 e = － dφ / dt，若导线中流过电流
近年来，有众多的学者和科研单位提出很多定 位理论和定位方法，如行波法［1］、S 注入法［2］、交直 流综合法等［3 － 4］。当故障接地电阻较大、线路较长
时，S 注入法和行波法的定位可靠性都会受到影响。 交直流综合法把交流法和直流法综合在一起，可有 效克服接地电阻的影响，提高定位的可靠性。
交流信号注入法的基本原理是在已断开的故障 线对故障相注入频率为 60 Hz、有效值为 100 ～ 150 mA 的交流电流信号，则电流会在注入点和故障点 之间流通。若发生的是金属性接地故障，注入电流 仅在注入点和故障点之间的故障路径上流通，非故 障分支和故障点后支路的电流为零； 当接地电阻较 小时，由于线路分布电容的存在，在非故障分支以及 故障点后也会有较小的电流信号，但与故障路径上 的电流比相差很大，能够通过检测判别出。交流法 主要用来解决接地电阻较小时的单相接地故障定位 问题。电流信号的大小通过感应线路下方电磁场来 检测，因此检测装置的好坏可影响到定位的可靠性。
如果截面线圈匝数为n则磁链ncni根据电磁感应定律eddt若导线中流过电流ii0cost那么将在线圈中产生感应电动势eddtnci0sint2其中e为交变电动势其幅值和电流i的幅值成正比因此可以通过该电动势的大小来检测导线中电流的大小
第 27 卷 第 5 期 2012 年 10 月
北京信息科技大学学报 Journal of Beijing Information Science and Technology University
德州仪器（ TI） MSP430 系列超低功耗微控制器 包含多种器件，它们具有面向多种应用的不同外设 集。这种架构与 5 种低功耗模式相组合，专为在便 携式测量应用中延长电池使用寿命而优化。该器件 具有 16 位精简指令集（ RISC） 的 CPU、16 位寄存器 和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数字控 制振荡器（ DCO） 可在不到 1 μs 的时间里完成从低 功耗模式至运行模式的唤醒。
（
k
+
槡k2
+ 4）
（ 6）
fp2
=
f0 2
（
－
k
+
槡k2
+ 4）
（ 7）
槡 其中 k
=
RG R1
C2A RF2 C1A RF1
。带宽
B
等于
2
个通带截止频
率之差，即
槡 B
=
fp1
－ fp2
=
RG R1
C2A C1A
R R
F2 F1
f0
（ 8）
检测器的待测信号频率为 60 Hz，且要去除 50
Hz 的干扰影响，故选择带通滤波器的中心频率为
Vol． 27 No． 5 Oct． 2012
文 章 编 号： 1674 － 6864（ 2012） 05 － 0045 － 04
基于 MSP430 单片机的信号检测装置的设计与实现
张 利1 ，任俊玲2 ，张 芳1
（ 1． 北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192； 2． 北京信息科技大学 信管学院，北京 100192）
Key words： distribution network； fault location； magnetic field detection； active filter
0 引言
我国的 35 kV 及其以下的中低压配电网大都采 用变压器中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的 方式运行，俗称小电流接地方式。在小电流接地方 式下发生单相接地故障时，接地电流很小，系统允许 带故障运行 1 ～ 2 h，大多数瞬时接地故障可自动消 失，进而可提高运行的可靠性。然而带故障运行会 使非故障相的电压升高，若是发生永久性接地故障， 长时间带故障运行可能导致两相接地等更为严重的 故障发生，因 此 有 必 要 进 行 快 速 准 确 的 故 障 定 位。 接地故障电流十分微弱，不利于检测，因此单相接地 故障的定位一直是一个难题。
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北京信息科技大学学报
第 27 卷
配置恰好可以满足本系统的要求。 在本系统的实现过程中，需要设置工作时钟、端
口、定时中断以及控制 AD 等操作。 首先设置系统主时钟 MCLK 和子系统主时钟
SMCLK 的工作频率为 1 MHz，通过对以下 2 个时钟 控制寄存器设置实现：
BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ DCOCTL = CALDCO_1MHZ 将输入信号接到单片机的 P1. 4 口，设置单片机该 端口为输入端，并且使能其作为 AD 输入端的功能。 P1DIR ＆ = ～ BIT4 P1SEL | = BIT4 设置 AD 控制寄存器的参数，使其对相关通道 采样，并选择启动采样的方式和数据的对齐方式，允 许 AD 工作和 AD 中断等。 ADC10CTL1 = INCH_4 + ADC10SSEL_3 ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_1 + REFON + ADC10ON + ADC10IE + REF1_5V 对 60 Hz 信号，每个周波采样 64 个点，因此采 样 频 率 为 3 840 Hz。 设 置 定 时 器 的 时 钟 源 为 SMCLK，工作模式为比较模式，增计数的方式，每隔 260 μs 产生 1 次定时中断。 TA0CTL = TASSEL2 + MC_1 TA0CCR0 = 260 在定时中断程序中，读出 AD 转换后的数据，并 通过向 AD 控制寄存器 ADC10CTL0 写入 ADC10SC 来启动下一次中断。当采样次数为 64 时，采样次数 清零，再对采样的数据进行分析和处理，得到输入信 号的幅值信息，并将其显示在液晶屏上。 程序设计均在低功能模式下进行，当完成初始 化操作后，控制系统进入休眠模式，仅在中断发生时 才退出休眠模式，执行相关操作。因此系统的运行 功耗很低，有利于延长手持设备中电池的使用寿命。 3. 3 液晶显示部分的实现 液晶部分选用了 4 位七段式的液晶显示模块 LCM046，显示范围为1 ～ 9 999，可满足本系统的需 要。由于其功耗小，便于在便携式设备上使用。 3. 4 实验结果 将市电接到变频器中，调节变频器参数，使之输 出 60 Hz 的交流信号，再接入到自耦调压器的输入 端。自耦变压器的输出端一端接一条导线，一端接 入大地。长度约 200 m 的导线搭在路灯杆上，用来 模拟实际线路。在导线中间一点，经过一条接地线 接入大地。为了减小接地电阻，在接地点洒上一定
中图分类号： TM 755
文献标志码： A
Design and implementation of signal detection device based on MSP430 MCU
ZHANG Li1 ，REN Jun-ling2 ，ZHANG Fang1
（ 1． School of Automation，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China； 2． School of Information Management，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）
MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控 制器，具有内置的 16 位定时器、24 个支持触摸感测 的 I / O 引脚、一个多用途模拟比较器和采用通用串 行通信接 口 的 内 置 通 信 能 力。 此 外，MSP430 G2 x53 系列还具有一个 10 位模数（ A / D） 转换器［7］。以上
60 Hz，同时 RG 取为 1 kΩ，可基本满足信号对检测 的要求。
根据式（ 4 ） 取外接电容值 C1A = C2A = 0. 1 μF，
计算外接电阻值 RF1 = RF2 = 26. 5 kΩ。 带通滤波过程中已经对 60 Hz 的信号进行了 50
倍的放大，但由于感应的信号一般很小，为了使得滤
F2

+1
（ 3）
根据上述传递函数，计算出带通滤波器的中心
频率 f0 和通带放大倍数 Aup。
f0 =
1
（ 4）
2π 槡C1A RF1 C2A RF2
Aup
=
R1 RG
（ 5）
Au
= 1 Aup 时所对应的频率即为通带截止频 槡2
率 fp，求解方程得到 2 个正根 fp1 和 fp2 。
fp1
=
f0 2