新型单相电能表单片机MSP430FE42x

美国德州仪器新推出了一款专用单片机MSP430FE42x。这款单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部,相当于把一个电能计量芯片与一个MCU相结合,它使得单相电表的设计进一步简化,成本也得到进一步降低。

MSP430FE42x不是将电能计量模块与MSP430的CPU简单结合,它还提供了对内部模块的控制。如果用在单相电表的设计,我们可以直接启动内部电能计量模块ESP430;如果用于一些其它需要16位A/D的产品时,可以禁止ESP430模块,直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制,因而这款单片机在产品设计中有很大的灵活性。

MSP42x具有三个通道A/D转换器,三个通道A/D转换都是彼此独立,并非如通常单片机那样采用模拟开关切换分别进行转换的方法。

1  MSP430FE42x的三个型号

目前MSP430FE42x系列单片机有三种型号,这三种型号的单片机采用QFP64封装,引脚完全兼容,内部功能模块完全相同,只是Flash程序存储器和RAM存储器有差别,程序移植性很好, 很适合不同产品对不同容量的要求。表1列出了各单片机的内部资源。

表1


2  MSP430FE42x的特性

MSP430FE42x有许多比较优秀的特性,这些特性给产品设计带来了很大的方便。
　　◇ 供电电压范围：2.7~3.6V。
　　◇ 超低功耗： 活动模式 400μA（3.0V,1MHz）; 保持模式 1.1μA; 关断模式 0.1μA。
　　◇ 5种省电模式;
　　◇ 从保持模式唤醒仅用6μs。
　　◇ 16位单片机,125ns指令周期。
　　◇ 电源电压检测。
　　◇ 串行在线编程。
　　◇ 熔丝代码保护。

3  电能参数的处理功能

MSP430FE42x是一款双CPU的单片机,内嵌的电能处理模块是一个具有单片机内核的模块,具有独立管理功能,自动完成对模拟数据的采集并计算出电能参数,下面列出了它能完成的主要功能。
　　◇ 3个独立的16位 ∑-△模拟转换器
　　◇ 3个可变增益放大器（1、2、4、8、16、32位数 可调）
　　◇ 内部温度传感器和参考电压源
　　◇ 内部较零
　　◇ 有功能量
　　◇ 无功能量
　　◇ 视在能量
　　◇ 功率因素
　　◇ 负载性质（感性、容性）
　　◇ 电流、电压有效值
　　◇ 负电量指示
　　◇ 电流回路失衡指示
　　◇ 失压指示

4  功能框图

功能框图如图1,展示了设计中可以利用资源的框图,包括具有FLL+的晶振电路,Flash存储器、RAM存存储器、I/O口、USART通讯模块、WDT+看门狗、ESP430处理模块、定时器A、基本定时器 1、LCD驱动等。MSP430FE42x系列单片机内部的数据总线和地址总线是纯粹16位,存取16位的字数据与存取8位的字节数据速度一样快。


图1

5  ESP430模块原理框图

图2是ESP430处理模块部分的框图。 MSP430FE42x具有3个通道的模拟信号处理通道。输入的差分输入信号经过增益可调的放大器进行放大。放大器的增益可以在1、2、4、8、16、 32倍数变化,根据输入信号的强弱和大小选取放大倍数。 放大后的数据送入对应的16位∑-△A/D转换输入通道,转换成数字信号。


图2

ESP430嵌入式信号处理器是一个具有微处理器内核的模块,在整个电量处理过程中,它运行内部的ROM程序,处理MSP430 CPU发出的命令,完成电量测量中所需的各个过程的控制,并最终完成计算。MSP430 CPU发给ESP430的命令包括复位、初始化、测量、校验。ESP430在处理完毕后回到空闲方式,等待MSP430读取数据和发出新的命令。

输入通道不仅具有测量输入的模拟信号,测量内置的温度传感器,还具有对输入进行短路测量。测量得到的数据保存在内存中,以便对正常测量的模拟数据进行补偿,这就是自动校零功能。

内部的参考电压也比较方便使用,它既是转换的参考电压,也是电压输入信号的偏置电压,对输入的交流电压进行叠加,转换成正的输入电压。

6  典型的应用框图

图3所示是典型的应用连接,外部器件比较少,主要有LCD显示和两路电流检测输入（分别是电流互感器采样和电阻电流采样）。电压输入采用电阻分压的方法。其它功能全部由软件完成,整个单相电表电路比较精炼。


图3

7  总结

MSP430FE42x系列单片机是一款比较有前途的新型单片机,被许多设计人员看好,它一定会在单相电表和其它计量仪表中得到广泛的应用。

作 者：杭州利尔达单片机技术有限公司 梁源 段焕春  
来 源：单片机与嵌入式系统应用2003（11）