MSP430單片機(jī)在電力系統(tǒng)操作電源中的應(yīng)用
秦濤 徐穎劉富利 韋鍵
（哈爾濱九洲電氣股份有限公司 哈爾濱150040 ）
摘要：本文介紹在電力系統(tǒng)電磁干擾強(qiáng)度高的環(huán)境中MSP430單片機(jī)如何穩(wěn)定控制開關(guān)電源的運(yùn)行。
關(guān)鍵詞: MSP430F155 ; 開關(guān)電源; 控制;
This article introduces the application of MSP430 for D.C power supply equipment of the power system.
Qin Tao , Xu Ying, Liu Fuli, Wei Jian
(Harbin Jiuzhou Electric Co.,LTD Harbin 150040)
Key: MSP430F155; power supply; control;
0引言
隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代自動(dòng)化水平的提高以及高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜,促使人們采用新的控制手段來迅速反映模塊變化,以大幅度提高開關(guān)電源模塊穩(wěn)定運(yùn)行水平.在整個(gè)控制系統(tǒng)中,要求處理采樣數(shù)據(jù)及采用的算法也越來越多.傳統(tǒng)的微處理器如MSC51系列等單片機(jī)由于內(nèi)部集成資源相對(duì)少、外圍電路復(fù)雜、系統(tǒng)抗干擾能力差、不擅長數(shù)據(jù)處理的缺點(diǎn)以逐漸不能滿足高科技水平的需要.
MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器.該單片機(jī)將大量的外圍模塊整合到片內(nèi),采用存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),即用一個(gè)公共空間對(duì)全部功能模塊進(jìn)行尋址,同時(shí)用16位精算指令組(RISC)對(duì)全部功能模塊進(jìn)行操作,其RAM單元也可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算.在MSP430系列單片機(jī)中,系統(tǒng)各個(gè)功能模塊完全是獨(dú)立運(yùn)行的.因其是在DSP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,所以具有DSP的一些優(yōu)點(diǎn)。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:1、超低功耗。2、強(qiáng)大的處理能力。3、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。4、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。5、方便高效的開發(fā)環(huán)境。
本系統(tǒng)采用MSP430F155型號(hào)單片機(jī)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下:
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
MSP430F155單片機(jī)具有非常豐富的片內(nèi)資源，因此，最小系統(tǒng)無需配置過多的外圍接口芯片就可滿足本系統(tǒng)要求，其最小系統(tǒng)組成如系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖所示。
本系統(tǒng)基礎(chǔ)時(shí)鐘LFXT1振蕩器工作在低頻模式，外接低速晶振，作為內(nèi)部時(shí)鐘源。LFXT2振蕩器外接8M晶振，工作于高頻模式，作為其他外圍模塊的時(shí)鐘源。
電源對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的精度有直接的影響，數(shù)字、模擬需要分別供電，并且電源連接接地點(diǎn)的旁路電容采用鉭電容和磁片電容并聯(lián)的方式，大大減少了噪聲的影響，提高了供電質(zhì)量及A/D轉(zhuǎn)換精度。在模擬地和數(shù)字地之間接入反向并聯(lián)的二極管對(duì)，以消除低于700mV的電壓差。或者在模擬地和數(shù)字地之間接入一個(gè)0歐姆的電阻，以減少模擬地對(duì)數(shù)字地帶來的噪聲干擾，為單片機(jī)的穩(wěn)定工作提供了良好的環(huán)境。用戶通過JTAG接口進(jìn)行程序下載，實(shí)現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能。
1.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換電路
目前，很多設(shè)計(jì)中3V(含3.3V)邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不同電源電壓
邏輯器件間的接口問題會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)存在問題。
1.2.1 邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性
在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源器件相互接口會(huì)存在3個(gè)問題:輸入和輸出最大電壓限制問題;兩個(gè)電源間電流的互串問題;輸入轉(zhuǎn)換門限問題。
器件對(duì)加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，則電流將會(huì)通過二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號(hào)，則5V電源將會(huì)向3V電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和電路器件。在等待或掉電方式時(shí)，3V電源降落到OV，大電流將流通到地，這使總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。另外，用5V器件來驅(qū)動(dòng)3V器件有很多不同情況，同樣TTL和CMOs間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限保證不損壞電路元件。
1.2.2 邏輯電平接口電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是混合邏輯電平電路:MSP430是典型的低工作電壓芯片（1.8-3.6），通訊芯片ADM2483采用的5V供電。在此選用74LVC07作為邏輯電平接口芯片。74LVC07是一種雙電源的電平移位器，電路如下圖所示。VDD1端用5V電源供電，而VCC端用3. 3V電源供電。
74LVC07的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。雙電源能保證兩邊的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此，該器件作為混合邏輯電平電路中的接口芯片是很理想的。
1.3 模擬量取樣與變換電路
模擬量取樣與變換電路主要完成強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間的隔離和變換，該電路包括電壓信號(hào)分壓電路、電流信號(hào)放大電路、電平提升電路和濾波電路等。
1.3.1 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路
采集電壓范圍不適合MSP430F155的要求，應(yīng)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行縮小處理。用分壓電阻將分壓降至MSP430F155所需要的幅值VSE+。VSE+電壓幅值用運(yùn)放搭建的跟隨器輸出OUT-V，直接給單片機(jī)使用。圖中的
電位器微調(diào)，用于調(diào)整單片機(jī)系數(shù)。
1.3.2 電流信號(hào)放大電路
高頻開關(guān)電源輸出電流也隨著負(fù)荷變化，在幾安培到三十安培之間變化。模塊采用30A/75mV的分流器，將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過放大電路把電壓信號(hào)升高到MSP430F155允許的幅值。運(yùn)算放大器視精度要求使用，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。此處選用BB公司的高精度運(yùn)放OPA177。ISE-通過分流器采樣的毫幅級(jí)電壓值，經(jīng)過調(diào)節(jié)反饋電位器VR3和R28的阻值得到IOC，再通過跟隨器及電位器VR2微調(diào)，以符合單片機(jī)采樣信號(hào)是電壓信號(hào)的要求。由于分流器的輸出和運(yùn)放的地連在一起，減小了共模干擾。
1.3.3 輸出信號(hào)的給定放大電路
單片機(jī)通過D/A給定兩個(gè)電壓值分別控制輸出電壓的電壓環(huán)和限流的電流環(huán)，以達(dá)到控制輸出的目的。
由于MSP430F155系列的單片機(jī)D/A電壓輸出的最大幅值為VCC，達(dá)不到控制電壓環(huán)和電流環(huán)所需要的幅值，從而采用下圖所示的運(yùn)算放大電路，V_DW所接的是電位器，它的位置是在前面板上，通過調(diào)節(jié)電位器改變電壓參數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
1.4 通訊電路
通訊模塊是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，控制器通過通訊模塊實(shí)現(xiàn)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及有關(guān)信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收，能否設(shè)計(jì)一個(gè)較為成功的通信電路將直接影響到控制器的調(diào)試、功能及其可用性。
由于30A高頻開關(guān)電源模塊模擬和數(shù)字共地，噪聲干擾強(qiáng)度大，使ADM2483的5V電源畸形波動(dòng)，最終導(dǎo)致通訊不能正常工作。所以ADM2483供電的5V電源是經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換所得。B0505S的輸出電流100mA滿足供電需求。 ADM2483內(nèi)部采用磁耦隔離
2 本系統(tǒng)采用MSP430F155的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語言。并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
系統(tǒng)程序由
數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、中斷報(bào)警模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個(gè)組成部分主程序流程圖如下：
下面分別介紹各主要模塊設(shè)計(jì)：
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
MSP430F155內(nèi)部集成的12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)置參考電平發(fā)生器和采樣保持電路，最大采樣速率達(dá)200Ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，能適應(yīng)輸入信號(hào)的變化，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足系統(tǒng)的需要。控制器對(duì)二個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換通道的3, 4通道，分別為:模塊的輸出電壓和輸出電流。
為了確保采樣點(diǎn)在同一個(gè)采樣周期內(nèi)，軟件采用定時(shí)中斷采樣法。定時(shí)中斷時(shí)間t=T/N，其中t為定時(shí)中斷時(shí)間，N為采樣的點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)的選擇還要考慮測量數(shù)據(jù)的精度和運(yùn)算速度的因素。以滿足MSP430F155運(yùn)行的需要。
本系統(tǒng)高頻晶振為8MHz，用TimerB作為定時(shí)中斷器，定時(shí)器計(jì)數(shù)值為8000,即每隔1000us采一個(gè)點(diǎn)，每秒可采1000個(gè)數(shù)據(jù)。采集程序流程如下圖所示。
2.2 參數(shù)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)
控制器在現(xiàn)場運(yùn)行中，總是存在著各種各樣的現(xiàn)場干擾，為了保證控制器可靠的進(jìn)行控制操作，必須盡可能大的抑制各種干擾和測量所引入的隨機(jī)誤差。為此，本系統(tǒng)除了在硬件上采用濾波技術(shù)之外，在軟件算法中采用數(shù)字濾波。
常用的數(shù)字濾波算法有以
