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

摘要:本文介紹在電力系統(tǒng)電磁干擾強(qiáng)度高的環(huán)境中MSP430單片機(jī)如何穩(wěn)定控制開關(guān)電源的運(yùn)行。
關(guān)鍵詞: MSP430F155 ; 開關(guān)電源; 控制;
This article introduces the application of MSP430 for D.C power supply equipment of the power system.
Qin Tao , Xu Ying, Liu Fuli, Wei Jian
(Harbin Jiuzhou Electric Co.,LTD Harbin 150040)
Key: MSP430F155; power supply; control;
0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(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)部集成資源相對少、外圍電路復(fù)雜、系統(tǒng)抗干擾能力差锉走、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(jī)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.該單片機(jī)將大量的外圍模塊整合到片內(nèi),采用存儲器-存儲器結(jié)構(gòu),即用一個公共空間對全部功能模塊進(jìn)行尋址,同時用16位精算指令組(RISC)對全部功能模塊進(jìn)行操作,其RAM單元也可實現(xiàn)運(yùn)算.在MSP430系列單片機(jī)中,系統(tǒng)各個功能模塊完全是獨立運(yùn)行的.因其是在DSP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,所以具有DSP的一些優(yōu)點。其主要技術(shù)特點如下:1藕届、超低功耗挪蹭。2、強(qiáng)大的處理能力休偶。3梁厉、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。4踏兜、系統(tǒng)工作穩(wěn)定词顾。5、方便高效的開發(fā)環(huán)境碱妆。
本系統(tǒng)采用MSP430F155型號單片機(jī)肉盹,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下:
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1最小系統(tǒng)的設(shè)計
  MSP430F155單片機(jī)具有非常豐富的片內(nèi)資源昔驱,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)要求纺榨。
  本系統(tǒng)基礎(chǔ)時鐘LFXT1振蕩器工作在低頻模式榄湿,外接低速晶振,作為內(nèi)部時鐘源彰怒。LFXT2振蕩器外接8M晶振宛扒,工作于高頻模式,作為其他外圍模塊的時鐘源凶健。
  電源對A/D轉(zhuǎn)換的精度有直接的影響治队,數(shù)字、模擬需要分別供電添祈,并且電源連接接地點的旁路電容采用鉭電容和磁片電容并聯(lián)的方式鼻肉,大大減少了噪聲的影響,提高了供電質(zhì)量及A/D轉(zhuǎn)換精度恒猴。在模擬地和數(shù)字地之間接入反向并聯(lián)的二極管對荡拌,以消除低于700mV的電壓差∷保或者在模擬地和數(shù)字地之間接入一個0歐姆的電阻,以減少模擬地對數(shù)字地帶來的噪聲干擾狗准,為單片機(jī)的穩(wěn)定工作提供了良好的環(huán)境克锣。用戶通過JTAG接口進(jìn)行程序下載,實現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能腔长。

1.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換電路
  目前袭祟,很多設(shè)計中3V(含3.3V)邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)捞附,不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會在很長一段時間內(nèi)存在問題巾乳。
1.2.1 邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性
  在混合電壓系統(tǒng)中,不同電源器件相互接口會存在3個問題:輸入和輸出最大電壓限制問題;兩個電源間電流的互串問題;輸入轉(zhuǎn)換門限問題鸟召。
  器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的胆绊。這些引腳有二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高欧募,則電流將會通過二極管或分離元件流向電源压状。例如3V器件的輸入端接上5V信號,則5V電源將會向3V電源充電跟继。持續(xù)的電流將會損壞二極管和電路器件种冬。在等待或掉電方式時,3V電源降落到OV舔糖,大電流將流通到地兢努,這使總線上的高電壓被下拉到地漂岔,這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。另外贞卜,用5V器件來驅(qū)動3V器件有很多不同情況辰想,同樣TTL和CMOs間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平饵臀,并要有足夠的容限保證不損壞電路元件绞宿。
1.2.2 邏輯電平接口電路設(shè)計
  本系統(tǒng)是混合邏輯電平電路:MSP430是典型的低工作電壓芯片(1.8-3.6),通訊芯片ADM2483采用的5V供電鹉灼。在此選用74LVC07作為邏輯電平接口芯片鞋伸。74LVC07是一種雙電源的電平移位器,電路如下圖所示敏困。VDD1端用5V電源供電艰欲,而VCC端用3. 3V電源供電。
74LVC07的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行莽浴。雙電源能保證兩邊的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值破罐,并且有很好的噪聲抑制性能。因此橱鹏,該器件作為混合邏輯電平電路中的接口芯片是很理想的膜蠢。
1.3 模擬量取樣與變換電路
  模擬量取樣與變換電路主要完成強(qiáng)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莉兰、電流信號放大電路挑围、電平提升電路和濾波電路等。
1.3.1 電壓信號轉(zhuǎn)換電路
  采集電壓范圍不適合MSP430F155的要求糖荒,應(yīng)對其信號進(jìn)行縮小處理杉辙。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捶朵,直接給單片機(jī)使用蜘矢。圖中的電位器微調(diào),用于調(diào)整單片機(jī)系數(shù)综看。

1.3.2 電流信號放大電路
  高頻開關(guān)電源輸出電流也隨著負(fù)荷變化品腹,在幾安培到三十安培之間變化。模塊采用30A/75mV的分流器红碑,將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號珍昨,并通過放大電路把電壓信號升高到MSP430F155允許的幅值。運(yùn)算放大器視精度要求使用盲妈,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)定性问锋。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電壓值,經(jīng)過調(diào)節(jié)反饋電位器VR3和R28的阻值得到IOC描琉,再通過跟隨器及電位器VR2微調(diào)躯琐,以符合單片機(jī)采樣信號是電壓信號的要求。由于分流器的輸出和運(yùn)放的地連在一起穴厅,減小了共模干擾囊古。
1.3.3 輸出信號的給定放大電路
單片機(jī)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(dá)到控制輸出的目的盹火。
由于MSP430F155系列的單片機(jī)D/A電壓輸出的最大幅值為VCC狠压,達(dá)不到控制電壓環(huán)和電流環(huán)所需要的幅值,從而采用下圖所示的運(yùn)算放大電路哗衫,V_DW所接的是電位器相品,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)示婉,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的品山。
1.4 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(yùn)行數(shù)據(jù)及有關(guān)信息的上傳和基本參數(shù)烤低、控制命令等的接收肘交,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、功能及其可用性扑馁。
由于30A高頻開關(guān)電源模塊模擬和數(shù)字共地涯呻,噪聲干擾強(qiáng)度大,使ADM2483的5V電源畸形波動腻要,最終導(dǎo)致通訊不能正常工作复罐。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滿足供電需求闯第。 ADM2483內(nèi)部采用磁耦隔離
2 本系統(tǒng)采用MSP430F155的軟件設(shè)計
  本系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用C語言市栗。并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計缀拭,將各功能模塊設(shè)計為獨立的編程調(diào)試程序塊咳短,這樣不僅有利于今后實現(xiàn)功能擴(kuò)展,而且便于調(diào)試和連接蛛淋,更有利于程序的移植和修改咙好。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)采集模塊羊脾、參數(shù)計算模塊命丑、中斷報警模塊、內(nèi)部存儲模塊认畦、通訊中斷模塊君订、控制模塊等幾個組成部分主程序流程圖如下:

下面分別介紹各主要模塊設(shè)計:
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計
  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)換時間短溪失,能適應(yīng)輸入信號的變化语诈,且具有很強(qiáng)的抗干擾能力,能夠滿足系統(tǒng)的需要桃逆〔炻控制器對二個信號進(jìn)行采樣,對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換通道的3, 4通道贫莹,分別為:模塊的輸出電壓和輸出電流叫质。
  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窗慎。定時中斷時間t=T/N物喷,其中t為定時中斷時間,N為采樣的點數(shù)捉邢,采樣點數(shù)的選擇還要考慮測量數(shù)據(jù)的精度和運(yùn)算速度的因素脯丝。以滿足MSP430F155運(yùn)行的需要。
  本系統(tǒng)高頻晶振為8MHz伏伐,用TimerB作為定時中斷器宠进,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)藐翎。采集程序流程如下圖所示材蹬。

2.2 參數(shù)計算模塊設(shè)計
  控制器在現(xiàn)場運(yùn)行中,總是存在著各種各樣的現(xiàn)場干擾吝镣,為了保證控制器可靠的進(jìn)行控制操作堤器,必須盡可能大的抑制各種干擾和測量所引入的隨機(jī)誤差。為此末贾,本系統(tǒng)除了在硬件上采用濾波技術(shù)之外闸溃,在軟件算法中采用數(shù)字濾波。


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