开发速度，缩短开发周期。
在本论文中涉及的器件中，我们选择了MSP430 系列单片机中MSP430F149一款。该芯片具有：2k字节RAM数据存储器，一般的设计不需要扩展内存，且该2KB 的RAM在芯片内部，故易于实现高速存取。60k字节FlashROM程序存储器，存一般的程序都非常宽余。存储器空间采用冯·纽曼(vonNeumann)结构。P1～P6：6个八位双向多功能口，引脚复用，即每个口都可以设置口方式或者模块方式，其中，P1、P2的全部引脚具有外中断功能，可响应16个中断源。两个UART接口不需要扩展可以同时和两个计算机同时通信。两个SPI接口，可用来扩展串行接口芯片和单元。15种中断源；12个工作寄存器；两个具有捕获功能的A3、B7 定时器；一个看门狗定时器；一个模拟信号比较器。一个硬件乘法器能完成8×8，8×16，16×8，16×16 四种运算，使乘法指令的执行时间大大缩短。包含了一个具有八个外部通道的12 位高性能A/D 转换器（A/D 转换器的速度可高达200KHz），一般的设计其精度、速度、路数都已经够用，不需要外部扩展。利用芯片内置的自动扫描功能，A/D 转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作，并且将转换后的数据自动存入缓冲区。这样，中央处理器的工作负担就大为减轻。除此之外，内置的参考电压源（1.5V、2.5V可选）、时钟、温度传感器以及电池低压时的检测电路可以减少外部器件数目，并且降低系统的整体成本。
3.3 各功能模块设计
该监测系统电路模块包括：模拟量输入环节，开关量输入环节，位移量输入环节，开关量输出环节，通信接口环节，温度测量环节，历史数据保存环节，液晶显示环节，电源环节等。
1 模拟量输入环节
模拟量输入环节即模拟量输入通道，在该通道完成信号的滤波、放大倍数匹配等功能。事实上多路开关，采样保持和模数转换也属于该环节的功能，由于我们选用的MSP430F149 本身自带8路12位A/D，故此我们的设计极其简捷，只需要考虑模拟信号的滤波和放大倍数匹配即可。我们需要采样的模拟量有：断路器开断电流、断路器线圈电流。温度虽然属于模拟量，我们选用的单片式1线数字温度传感器，它可以直接将温度转换成温度代码，且具有无须附加变送器和数字信号传输（不易受到干扰）等优点，详述见温度测量环节。
如图3.3所示的电路图为断路器的开断电流信号经小CT、低通滤波器后的放大匹配电路，其设计简述如下：本放大电路选用的运算放大器是超低失调电压通用运放OP07，其供电电压范围是＋3V～＋18V，本设计中单片机供电电压是3.6V，单片机的A/D基准电压是2.5V。工作原理如下：小CT过来的交流电流信号变换成交流电压信号，经跟随器后送低通滤波器滤波变成信号VIN，然后通过图3.3 所示的模拟量放大环节后变为0～2.5V电压信号VOUT送A/D环节。由于MSP430F149 的12位A/D是单极性的，所以本放大电路需要经过偏置电路将0V输入信号偏置到1.25V。
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断路器分、合闸线圈的直流模拟信号采集处理和上述交流模拟信号的处理方式不同。断路器的分、合闸线圈直流电流I1，经过如图3.4所示的JT系列磁补偿式电流传感器（霍尔传感器）变换成0～100mA电流信号I2，经过40～200Ω测量电阻R 将电流信号I2转换成输出电压Uo，滤波后的信号放大匹配电路基本和上述电路相同（只Uo 经低通滤波器滤波，是不需要偏置电路）这里不作祥述。
2 开关量输入环节
开关量输入环节包括：状态量输入环节和键盘输入环节两部分。状态量输入环节用以监视断路器的状态，故必须和单片机环节隔离，键盘输入量则可以不经过隔离直接入和单片机接口。无论是状态量输入环节还是键盘输入环节，要求有单片机立即响应，须采用中断方式，故此必须将状态量输入和键盘输入环节接于带有中断功能的P1、P2 口。如图3.5所示是部分断路器状态开入量和单片机的接口电路，用光电耦合器TLP521-4实现隔离。
图3.5 开入量与单片机接口电路图
3 位移量输入环节
该环节的功能是将断路器的触头位移量转换为电脉冲信号，然后通过电路处理进行四倍频和正反向运动的识别。现仅将其功能简介如下：
安装于断路器操动机构主轴上的旋转光栅片在主轴的带动下运动，通过图3.6 电路，将位移信号转换为相位差为90 的两路方波脉冲A、B，其中：A超前B 90为正向运动，为合闸；B超前A 90为反向运动，为分闸。A、B两路脉冲经过导线送至图3.7 电路：主板上光电耦合器6N137 的隔离侧，然后转换到非隔离侧进行处理。处理后的信号A、B 经过单稳态电路74HC4538挑出上跳沿、下跳沿，四个跳沿信号结合原信号A、B 送GAL 芯片16V8 [29] ，通过该芯片实现四倍频和正反向辨向功能。
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图3.7 四倍频辨向环节电路图
4 开关量输出环节
输出量与单片机接口电路如图3.8所示，开关量输出环节输出的信号包括声光报警、跳闸命令等。在本设计的开关量输出环节我们需要考虑的问题有：单片机的供电电压3.6V、单片机的口线驱动能力较差、光电隔离、单片机上电时端口不定状态的闭锁保护。针对以上问题本设计采取的措施是：采用低供电电压的总线驱动器74HC244，供电电压2～6V；采用高传送比（典型值为10）的达林顿输出光电耦合器TLP627，其驱动能力可达150mA；该输出环节的闭锁方法是：U6 的光电二极管由U7 的光电三极管供电、U6、U7 的动作电平相反。（因为该监测装置兼有跳合闸线圈保护功能，故必要时可以跳开跳合闸回路，以保护线圈。）
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图3.8 开出量与单片机接口电路图
5 通信接口环节
通信接口的选型、设计和操作相对其他环节来讲较为复杂，且存在通信模块与单片机的电平不匹配需要解决，为了叙述的连贯性，本文另立一章对其进行了专门阐述。详见第五章。
6 温度测量环节
1）DS1820[30] 简介
DS1820单线数字温度传感器是美国DALLAS 公司刚刚推出的新产品。DS1820 （一线式）数字温度传感器将-55～125℃间的温度信号转换成9位二进制：一位符号位，8 位数据位。转换后的温度值（9 位二进制）通过DS1820 的数据线直接输入到单片机，无需通过A/D转换。读写指令以及温度转换指令通过数据总线传入DS1820。DS1820有两种供电方式：1、由电源引脚直接供电；2、由数据线寄生供电。另外，每一个DS1820在出厂时已经给定了唯一的编码，正因为每个DS1820都包含有一个唯一的64位ROM编码，所以可以实现在一根总线上挂接多个DS1820 数字温度传感器。DS1820数字温度传感器与AD590、LM35等温度传感器相比除具有相当的测温范围和精度外，还具有温度测量精确和不受外界干扰等优点。
2）DS1820温度采集系统设计
DS1820构成的数字温度信号采集电路如图3.9、图3.10所示。图3.9为DS1820测温系统在测量现场的电路；图3.10为单片机侧的光电隔离电路。测温系统设计需要考虑的因素有：
1、器件件工作电压不同：单片机MSP430 工作电压3.3V；光耦6N137[31，32]工作电压5V；数据传输环节工作电压24V；DS1820工作电压5V； 2、数据传送的可靠性，即数据传输的抗干扰设计问题； 3、单片机与数字温度传感器的隔离问题；
4、数字温度传感器对光电耦合器频率的要求。
图3.9、图3.10所示的电路是基于以上考虑设计的，工作原理略。
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7 历史数据保存环节
该环节通过非易失存储器实现对断路器开断次数以及开断电流的记录[33]。X25043 为美国xicor 公司的“非易失性”芯片族中的最新成员，它把看门狗定时器、电源监控和EEPROM三种功能集成在单个封装内，提高了自身可靠性，降低了系统成本，并减少了对电路板空间的要求。
X24043 的存贮器部分是CMOS 的4K位串行EEPROM，结构为512×8 四字节页方式，串口协议为SPI，简单易行，每字节可写入10 次，数据可保存100年。它内部的EEPROM提供在掉电情况下保护那些需要保存的数据。此外，X25043还具有片内偶然性写保护，1MHz时钟速率。低功耗CMOS 的等待电流为10μA，工作电流3mA。X25043与MSP430F149接口电路如图3.11所示。
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