基于MSP430F149單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

摘要 鑒于電子負(fù)載在電源設(shè)備測(cè)試中的廣泛應(yīng)用，研制了一臺(tái)以MSP430F149單片機(jī)為核心處理器的直流電子負(fù)載。單片機(jī)MSP430F149內(nèi)設(shè)ADC12模塊對(duì)負(fù)載電壓、電流信號(hào)實(shí)時(shí)采樣，并外設(shè)10位D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615輸出模擬電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管，內(nèi)部控制采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)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(cè)試，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間<3 s，電壓電流測(cè)量誤差均<±0.5%，且跟蹤速度快、測(cè)量精度高，并具有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

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

設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載以MSP430F149為控制核心，內(nèi)部使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，配以外圍模塊，實(shí)現(xiàn)了直流電子負(fù)載的恒壓、恒流、恒阻和恒功率功能，其具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤速度快、精度高、以及控制靈活的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)直流電子負(fù)載的實(shí)現(xiàn)方式，本設(shè)計(jì)包括電壓電流檢測(cè)模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤及液晶顯示模塊等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

通過人機(jī)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(shè)置在不同工作模式下的參數(shù)值。選定工作模式并設(shè)置相關(guān)參數(shù)之后，再運(yùn)行此模式。MSP430F149對(duì)工作電壓和電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過內(nèi)部BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與設(shè)定值進(jìn)行比較，快速調(diào)整功率器件的導(dǎo)通量，直至系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)定值保持一致。其調(diào)整時(shí)間<3 s，電壓電流測(cè)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(fù)載電壓如何變化，負(fù)載電流始終與設(shè)定的電流參考值保持一致。(2)定電壓模式。負(fù)載電壓的變化決定負(fù)載電流的變化，電壓值設(shè)定后，電流會(huì)發(fā)生變化，直到電壓值與所設(shè)定的參考電壓相等。(3)定阻模式。負(fù)載電壓、負(fù)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(fù)載電流、負(fù)載電壓相乘的結(jié)果，通過控制調(diào)節(jié)，負(fù)載電壓、電流相乘結(jié)果與設(shè)定的功率值相等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)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(cè)模塊

電壓電流檢測(cè)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(cè)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(gè)<3.3 V的電壓。為方便計(jì)算與調(diào)試，設(shè)置A/D的測(cè)量范圍為0～3 V，R4采用滑動(dòng)變阻器。由于系統(tǒng)所測(cè)電壓范圍為0～30 V，因此R3與R4的比值應(yīng)為9：1。采樣電壓UADV與實(shí)際電壓U的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示

電流采樣電路需將變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電流信號(hào)以R5為載體轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。由于系統(tǒng)所測(cè)電流范圍為0～3 A，設(shè)置片內(nèi)A/D測(cè)量范圍為0～3 V。因此，當(dāng)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(yùn)行，選定精密電阻R5為0.5 Ω，然后電壓信號(hào)通過運(yùn)算放大器LM324放大2倍，最終送入內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理。采樣電壓UADV與實(shí)際負(fù)載電流的關(guān)系為

2.2 控制驅(qū)動(dòng)模塊

控制驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體器件選用n溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)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(shè)計(jì)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(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF740工作，同時(shí)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(shè)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(jī)進(jìn)行接口，并簡(jiǎn)化了電路，其外部基準(zhǔn)電壓一般為2.048 V，因此系統(tǒng)選用高精度基準(zhǔn)電壓源REF3020，滿足了芯片需要。TLC5615最大可輸出基于基準(zhǔn)2倍的電壓，即可驅(qū)動(dòng)MOS管正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的主程序流程如圖4所示，可使被測(cè)負(fù)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(jī)處理程序、D/A轉(zhuǎn)換程序和LCD顯示程序等。程序執(zhí)行時(shí)先對(duì)各模塊程序進(jìn)行初始化，然后對(duì)負(fù)載電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，再經(jīng)過MSP430F149處理，并結(jié)合相應(yīng)的控制算法，快速調(diào)整PWM輸出，最終的實(shí)際值與預(yù)先設(shè)定值保持一致。

在控制驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載電路PWM輸出時(shí)，軟件部分采用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在上述4種工作模式中，若實(shí)際值大于給定值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不斷訓(xùn)練，實(shí)時(shí)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(dǎo)出控制量，進(jìn)而得到PWM占空比。同時(shí)驅(qū)動(dòng)MOS管的柵極電壓，降低管內(nèi)的導(dǎo)通量使實(shí)際值減小，最終與給定值保持一致。若實(shí)際值小于給定值，則增大MOS管的導(dǎo)通量使實(shí)際值增大。

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

4 結(jié)束語

系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載輸入電壓為0～30 V、負(fù)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(cè)得系統(tǒng)最大負(fù)載電阻為90 Ω、最大負(fù)載功率為90 W，電壓和電流的測(cè)量誤差均控制在以下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jiǎn)化了硬件電路。綜上所述，文中設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載裝置具有測(cè)量誤差小、硬件簡(jiǎn)單、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。