MSP430單片機在電力系統(tǒng)操作電源中的應用

1 引言
    隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代自動化水平的提高以及高頻開關電源結構的日趨復雜,促使人們采用新的控制手段來迅速反映模塊變化,以大幅度提高開關電源模塊穩(wěn)定運行水平.在整個控制系統(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系列等單片機由于內(nèi)部集成資源相對少、外圍電路復雜、系統(tǒng)抗干擾能力差、不擅長數(shù)據(jù)處理的缺點以逐漸不能滿足高科技水平的需要.
    MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器. 由于其超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術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價。本文采用MSP430單片機控制開關電源時期穩(wěn)定運行。
    2 系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)采用MSP430F155型號單片機實現(xiàn)對開關電源的穩(wěn)定控制，主要包括如下幾個部分：MSP430核心部分、反饋信號處理部分、信號輸出給定部分、控制電路部分、通訊部分及CPU外圍電路。系統(tǒng)總體結構如圖1所示:

    圖1 系統(tǒng)總體結構
    3 硬件部分設計
    3.1 MSP430核心部分
    MSP430F155單片機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)基礎時鐘LFXT1振蕩器工作在低頻模式，外接低速晶振，作為內(nèi)部時鐘源。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鐘源。

    圖2 系統(tǒng)整體結構[!--empirenews.page--]

    3.2反饋信號處理部分
    反饋信號處理部分主要完成強電信號與弱電信號之間的隔離和變換，該電路包括電壓信號分壓電路、電流信號放大電路、電平提升電路和濾波電路等。
    3.2.1 電壓信號轉換電路
    采集電壓范圍不適合MSP430F155的要求，應對其信號進行縮小處理。用分壓電阻將分壓降至MSP430F155所需要的幅值VSE+。VSE+電壓幅值用運放搭建的跟隨器輸出OUT-V，直接給單片機使用。圖3中的電位器微調，用于調整單片機系數(shù)。

    圖3 電壓信號轉換電路

    3.2.2 電流信號放大電路
    高頻開關電源輸出電流也隨著負荷變化，在幾安培到三十安培之間變化。模塊采用30A/75mV的分流器，將輸出的電流信號轉換為電壓信號，并通過放大電路把電壓信號升高到MSP430F155允許的幅值。運算放大器視精度要求使用，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。此處選用BB公司的高精度運放OPA177。ISE-通過分流器采樣的毫幅級電壓值，經(jīng)過調節(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，以符合單片機采樣信號是電壓信號的要求。由于分流器的輸出和運放的地連在一起，減小了共模干擾。

    圖4 電流信號放大電路

    3.3 信號輸出給定部分
    單片機通過D/A給定兩個電壓值分別控制輸出電壓的電壓環(huán)和限流的電流環(huán)，以達到控制輸出的目的。[!--empirenews.page--]
    由于MSP430F155系列的單片機D/A電壓輸出的最大幅值為VCC，達不到控制電壓環(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，通過調節(jié)電位器改變電壓參數(shù)，達到調節(jié)輸出電壓的目的。

    圖5 運算放大電路

    3.4 通訊電路
    通訊模塊是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，控制器通過通訊模塊實現(xiàn)歷史運行數(shù)據(jù)及有關信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收，能否設計一個較為成功的通信電路將直接影響到控制器的調試、功能及其可用性。
    由于30A高頻開關電源模塊模擬和數(shù)字共地，噪聲干擾強度大，使ADM2483的5V電源畸形波動，最終導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 軟件部分設計
    軟件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計算模塊、中斷報警模塊、內(nèi)部存儲模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個部分組成，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外設寄存器及變量、讀取歷史信息、實時采集數(shù)據(jù)、實時檢查報警信息并及時將各種狀態(tài)信息上傳上位機，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

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    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200Ksps，轉換時間短，能適應輸入信號的變化，且具有很強的抗干擾能力，能夠滿足系統(tǒng)的需要。控制器對二個信號進行采樣，對應A/D轉換通道的3, 4通道，分別為:模塊的輸出電壓和輸出電流。
    為了確保采樣點在同一個采樣周期內(nèi)，軟件采用定時中斷采樣法。定時中斷時間t=T/N，其中t為定時中斷時間，N為采樣的點數(shù)，采樣點數(shù)的選擇還要考慮測量數(shù)據(jù)的精度和運算速度的因素。以滿足MSP430F155運行的需要。
    本系統(tǒng)高頻晶振為8MHz，用TimerB作為定時中斷器，定時器計數(shù)值為8000,即每隔1000us采一個點，每秒可采1000個數(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， 單片機必須能處理以下問題:單片機可以識別外部傳來的附加在命令之上的數(shù)據(jù):單片機應該能夠識別無效指令通信中，單片機應能處理一些通信錯誤，并對錯誤做出相應的處理;不管收到任何傳送給本機的命令，本機都應做出相應的響應。通信協(xié)議包含下面幾個部分的內(nèi)容:命令部分、數(shù)據(jù)部分、編號部分、誤檢測部分和起始字、結束字，其流程圖如圖9所示。
    5 結束語
    綜上所述， MSP430單片機通過軟件和硬件的設計，充分地在它的抗干擾性、運算速度快等性能。在電力系統(tǒng)操作電源中可以安全、穩(wěn)定的運行。達到了預期的設計要求，并且已經(jīng)在正式的產(chǎn)品中開始應用。