1 背景介紹

   隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代自動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(fù)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(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價。本文介紹采用MSP430單片機控制開關(guān)電源時期穩(wěn)定運行。

  2 MSP430單片機的特點

  2.1 處理能力強

  MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序運算速度快。

　 MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）超低功耗。

　 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在165μA左右，RAM 保持模式下的功耗只有0.1μA。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下，可達2.5μA ，在RAM 保持模式下，可達0.1μA 。

   2.2片內(nèi)資源豐富

　 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，可達200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需5μs。
 
  2.3方便高效的開發(fā)環(huán)境

  MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。

   3 系統(tǒng)設(shè)計

   本系統(tǒng)采用MSP430F155型號單片機實現(xiàn)對開關(guān)電源的穩(wěn)定控制，主要包括如下幾個部分：MSP430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(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

  4 硬件部分設(shè)計

   4.1 MSP430部分

   MSP430F155單片機具有非常豐富的片內(nèi)資源，因此，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，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

   本系統(tǒng)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)

   4.2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。

  4.2.1 電壓信號轉(zhuǎn)換電路

   采集電壓范圍不適合MSP430F155的要求，應(yīng)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(diào)，用于調(diào)整單片機系數(shù)。

圖3 電壓信號轉(zhuǎn)換電路

  4.2.2 電流信號放大電路

   高頻開關(guān)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(zhuǎn)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。運算放大器視要求使用，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的和較好的穩(wěn)定性。此處選用BB公司的高運放OPA177。ISE-通過分流器采樣的毫幅級電壓值，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

   4.3 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。

   由于MSP430F155系列的單片機D/A電壓輸出的幅值為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(diào)節(jié)電位器改變電壓參數(shù)，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

圖5 運算放大電路

   4.4 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(guān)信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收，能否設(shè)計一個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，噪聲干擾強度大，使ADM2483的5V電源畸形波動，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。

   5 軟件部分設(shè)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(shè)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

   5.1 數(shù)據(jù)采集部分

   MSP430F155內(nèi)部集成的12位的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，采樣速率達200Ksps，轉(zhuǎn)換時間短，能適應(yīng)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?？刂破鲗Χ€信號進行采樣，對應(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

  5.2 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(yīng)該能夠識別無效指令通信中，單片機應(yīng)能處理一些通信錯誤，并對錯誤做出相應(yīng)的處理;不管收到任何傳送給本機的命令，本機都應(yīng)做出相應(yīng)的響應(yīng)。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(jié)束字，其流程圖如圖9所示。

   6 結(jié)束語

   綜上所述， MSP430單片機通過軟件和硬件的設(shè)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(yù)期的設(shè)計要求，并且已經(jīng)在正式的產(chǎn)品中開始應(yīng)用。

參考文獻
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[7] 40ns datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/40ns_1779288.html.

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[9] PC  datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/PC+_2043275.html.

[10] MSP430F155 datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/MSP430F155_1095591.html.

[11] OPA177 datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/OPA177_524643.html.

[12] 30A datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/30A_953528.html.

[13] ADM2483 datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/ADM2483_1131174.html.