MSP430單片機(jī)在電力系統(tǒng)操作電源中的應(yīng)用

1 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(zhǎng)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(guó)德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器. 由于其超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境得到廣大用戶的高度評(píng)價(jià)。本文采用MSP430單片機(jī)控制開關(guān)電源時(shí)期穩(wěn)定運(yùn)行。
    2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用MSP430F155型號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的穩(wěn)定控制，主要包括如下幾個(gè)部分：MSP430核心部分、反饋信號(hào)處理部分、信號(hào)輸出給定部分、控制電路部分、通訊部分及CPU外圍電路。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

    圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    3 硬件部分設(shè)計(jì)
    3.1 MSP430核心部分
    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)組成如圖2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。

    圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    3.2反饋信號(hào)處理部分
    反饋信號(hào)處理部分主要完成強(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。
    3.2.1 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3中的電位器微調(diào)，用于調(diào)整單片機(jī)系數(shù)。

    圖3 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

    3.2.2 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。

    圖4 電流信號(hào)放大電路

    3.3 信號(hào)輸出給定部分
    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，從而采用圖5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。

    圖5 運(yùn)算放大電路

    3.4 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。
    4 軟件部分設(shè)計(jì)
    軟件部分由數(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)部分組成，如圖6所示：

    圖6 軟件框圖

    根據(jù)軟件框圖所示各部分內(nèi)容，下面給出主程序的流程圖（圖7），在主程序中，主要完成初始化各個(gè)外設(shè)寄存器及變量、讀取歷史信息、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢查報(bào)警信息并及時(shí)將各種狀態(tài)信息上傳上位機(jī)，下面主要介紹一下數(shù)據(jù)采集部分和通訊部分：

    圖7 主程序流程圖

    4.1 數(shù)據(jù)采集部分
    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?？刂破鲗?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(cè)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)。采集程序流程如圖8所示。

    圖8 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

    圖9 通訊模塊流程圖

    4.2 通訊部分
    要保證通訊成功， 單片機(jī)必須能處理以下問題:單片機(jī)可以識(shí)別外部傳來的附加在命令之上的數(shù)據(jù):單片機(jī)應(yīng)該能夠識(shí)別無效指令通信中，單片機(jī)應(yīng)能處理一些通信錯(cuò)誤，并對(duì)錯(cuò)誤做出相應(yīng)的處理;不管收到任何傳送給本機(jī)的命令，本機(jī)都應(yīng)做出相應(yīng)的響應(yīng)。通信協(xié)議包含下面幾個(gè)部分的內(nèi)容:命令部分、數(shù)據(jù)部分、編號(hào)部分、誤檢測(cè)部分和起始字、結(jié)束字，其流程圖如圖9所示。
    5 結(jié)束語
    綜上所述， MSP430單片機(jī)通過軟件和硬件的設(shè)計(jì)，充分地在它的抗干擾性、運(yùn)算速度快等性能。在電力系統(tǒng)操作電源中可以安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并且已經(jīng)在正式的產(chǎn)品中開始應(yīng)用。