基于MSP430F149單片機的直流電子負載設計

摘要 鑒于電子負載在電源設備測試中的廣泛應用，研制了一臺以MSP430F149單片機為核心處理器的直流電子負載。單片機MSP430F149內(nèi)設ADC12模塊對負載電壓、電流信號實時采樣，并外設10位D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615輸出模擬電壓信號驅(qū)動MOS管，內(nèi)部控制采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，實現(xiàn)定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式。經(jīng)安裝測試，系統(tǒng)調(diào)整時間<3 s，電壓電流測量誤差均<±0.5%，且跟蹤速度快、測量精度高，并具有一定的經(jīng)濟實用價值。

在電子、通信、能源等領域中，需要對電源穩(wěn)壓器、蓄電池和功率電子元件等設備進行測試。在進行傳統(tǒng)的負載測試時，需要用電阻、電容和電感或是其串并聯(lián)組合來模擬實際負載情況，該測試方法其負載調(diào)節(jié)為有級調(diào)節(jié)，精度差、體積大、功耗高且穩(wěn)定性差。直流電子負載是以功率半導體器件為載體，吸收和消耗電能的一種模擬負載。其基本原理是通過控制功率場效應晶體管(MOS)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或功率晶體管(GTR)等的導通量，實現(xiàn)定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式。因此，負載可進行連續(xù)調(diào)節(jié)，且體積小、精度高、穩(wěn)定性好。

設計的直流電子負載以MSP430F149為控制核心，內(nèi)部使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，配以外圍模塊，實現(xiàn)了直流電子負載的恒壓、恒流、恒阻和恒功率功能，其具有硬件結(jié)構簡單、跟蹤速度快、精度高、以及控制靈活的特點。

1 系統(tǒng)的總體設計和工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)直流電子負載的實現(xiàn)方式，本設計包括電壓電流檢測模塊、控制驅(qū)動模塊、鍵盤及液晶顯示模塊等，具體結(jié)構如圖1所示。

1.2 工作原理

通過人機交互模塊中的鍵盤和LCD顯示功能，系統(tǒng)能夠選擇不同的工作模式，即定電流、定電壓、定電阻和定功率4種工作模式，且還可通過鍵盤設置在不同工作模式下的參數(shù)值。選定工作模式并設置相關參數(shù)之后，再運行此模式。MSP430F149對工作電壓和電流實時檢測，并通過內(nèi)部BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法與設定值進行比較，快速調(diào)整功率器件的導通量，直至系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)與設定值保持一致。其調(diào)整時間<3 s，電壓電流測量誤差均<±0.5%。

4種工作模式的具體原理如下所述：(1)定電流模式。無論負載電壓如何變化，負載電流始終與設定的電流參考值保持一致。(2)定電壓模式。負載電壓的變化決定負載電流的變化，電壓值設定后，電流會發(fā)生變化，直到電壓值與所設定的參考電壓相等。(3)定阻模式。負載電壓、負載電流成比例的變化，從而使得電阻值維持恒定，電壓與電流相比的結(jié)果與按鍵輸入電阻值相等。(4)定功率模式。功率值是負載電流、負載電壓相乘的結(jié)果，通過控制調(diào)節(jié)，負載電壓、電流相乘結(jié)果與設定的功率值相等。

2 系統(tǒng)硬件設計

MSP430F149是系統(tǒng)控制的核心，擁有16位處理器，超低功耗，并具有較多的I/O端口，可滿足人機交互模塊的需求，片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換效率，可滿足電壓電流采樣精度要求。

2.1 電壓電流檢測模塊

電壓電流檢測模塊包括電壓采樣電路、電流采樣電路、片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路，其硬件原理如圖2所示。

電壓檢測采用電阻分壓原理，即采樣得到電阻R4上的電壓值，取樣后送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路，最終輸出一個<3.3 V的電壓。為方便計算與調(diào)試，設置A/D的測量范圍為0～3 V，R4采用滑動變阻器。由于系統(tǒng)所測電壓范圍為0～30 V，因此R3與R4的比值應為9：1。采樣電壓UADV與實際電壓U的轉(zhuǎn)換關系如下所示

電流采樣電路需將變化的電流信號轉(zhuǎn)化為相對應的電壓信號，電流信號以R5為載體轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于系統(tǒng)所測電流范圍為0～3 A，設置片內(nèi)A/D測量范圍為0～3 V。因此，當R5上有3 A電流流過，其電壓不能超過3 V，即R5的取值不能超過1 Ω。為使系統(tǒng)安全低耗的運行，選定精密電阻R5為0.5 Ω，然后電壓信號通過運算放大器LM324放大2倍，最終送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片進行處理。采樣電壓UADV與實際負載電流的關系為

2.2 控制驅(qū)動模塊

控制驅(qū)動模塊包括隔離放大電路和D/A轉(zhuǎn)換電路。硬件原理如圖3所示。

功率半導體器件選用n溝道增強型功率場效應管IRF740，漏源之間的最大承受電壓為400 V，常溫下漏極電流最大為10 A，符合設計需求。在D/A輸出口與IRF740柵極之間加入線性光耦器件HCPL7840，驅(qū)動功率場效應管IRF740工作，同時起到隔離作用，以提高抗干擾能力。

MSP430F149無內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換電路，因此，需要在外圍增設D/A轉(zhuǎn)換電路。D/A轉(zhuǎn)換芯片選用10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615，只需3根串行總線便可完成10位數(shù)據(jù)的傳輸，易于和單片機進行接口，并簡化了電路，其外部基準電壓一般為2.048 V，因此系統(tǒng)選用高精度基準電壓源REF3020，滿足了芯片需要。TLC5615最大可輸出基于基準2倍的電壓，即可驅(qū)動MOS管正常工作。

3 軟件設計

軟件的主程序流程如圖4所示，可使被測負載穩(wěn)定的工作在恒流、恒壓、恒阻、恒功率4種工作模式下。軟件包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、單片機處理程序、D/A轉(zhuǎn)換程序和LCD顯示程序等。程序執(zhí)行時先對各模塊程序進行初始化，然后對負載電壓電流進行實時采樣，再經(jīng)過MSP430F149處理，并結(jié)合相應的控制算法，快速調(diào)整PWM輸出，最終的實際值與預先設定值保持一致。

在控制驅(qū)動功率負載電路PWM輸出時，軟件部分采用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，在上述4種工作模式中，若實際值大于給定值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法不斷訓練，實時調(diào)整PID控制器參數(shù)，并通過得到的最優(yōu)參數(shù)便可精確推導出控制量，進而得到PWM占空比。同時驅(qū)動MOS管的柵極電壓，降低管內(nèi)的導通量使實際值減小，最終與給定值保持一致。若實際值小于給定值，則增大MOS管的導通量使實際值增大。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法可最大化的逼近直流電子負載的非線性曲線，實時調(diào)整PID參數(shù)，使PID調(diào)節(jié)達到最優(yōu)狀態(tài)，且此算法的收斂速度快，能夠到達理想的控制效果。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗單片機為控制核心設計的直流電子負載裝置，實現(xiàn)了對負載輸入電壓為0～30 V、負載輸入電流為0～3 A的調(diào)節(jié)與控制。通過軟硬件結(jié)合調(diào)試，測得系統(tǒng)最大負載電阻為90 Ω、最大負載功率為90 W，電壓和電流的測量誤差均控制在以下，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)恒壓、恒流、恒阻、恒功率4種工作模式的平滑調(diào)節(jié)與切換。此處系統(tǒng)以軟件替代硬件的原則，簡化了硬件電路。綜上所述，文中設計的直流電子負載裝置具有測量誤差小、硬件簡單、易于調(diào)試等優(yōu)點。