MSP430單片機在電力系統操作電源中的應用

　　1 引言

　　隨著電力系統現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定運行水平.在整個控制系統中,要求處理采樣數據及采用的算法也越來越多.傳統的微處理器如MSC51系列等<單片機由于內部集成資源相對少、外圍電路復雜、系統抗干擾能力差、不擅長數據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、系統工作穩定、方便高效的開發環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定運行。

　　2 系統設計

　　本系統采用MSP430F155型號單片機實現對開關電源的穩定控制，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。系統總體結構如圖1所示:

圖1 系統總體結構

　　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資源，因此，最小系統無需配置過多的外圍接口芯片就可滿足本系統要求，其最小系統組成如圖2所示。

　　本系統基礎時鐘LFXT1振蕩器工作在低頻模式，外接低速晶振，作為內部時鐘源。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 系統整體結構

　　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。

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，經過調節反饋電位器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和限流的電流環，以達到控制輸出的目的。

　　由于MSP430F155系列的單片機D/A電壓輸出的最大幅值為VCC，達不到控制電壓環和電流環所需要的幅值，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，通過調節電位器改變電壓參數，達到調節輸出電壓的目的。

圖5 運算放大電路

　　3.4 通訊電路

　　通訊模塊是本系統的一個重要組成部分，控制器通過通訊模塊實現歷史運行數據及有關信息的上傳和基本參數、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電源是經過DC-DC轉換所得。B0505S的輸出電流100mA滿足供電需求。ADM2483內部采用磁耦隔離。

　　4 軟件部分設計

　　軟件部分由數據采集模塊、參數計算模塊、中斷報警模塊、內部存儲模塊、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

　　根據軟件框圖所示各部分內容，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、實時采集數據、實時檢查報警信息并及時將各種狀態信息上傳上位機，下面主要介紹一下數據采集部分和通訊部分：

圖7 主程序流程圖

　　4.1 數據采集部分

　　MSP430F155內部集成的12位精度的A/D轉換模塊內置參考電平發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，能夠滿足系統的需要?？刂破鲗Χ€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，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，采樣點數的選擇還要考慮測量數據的精度和運算速度的因素。以滿足MSP430F155運行的需要。

　　本系統高頻晶振為8MHz，用TimerB作為定時中斷器，定時器計數值為8000,即每隔1000us采一個點，每秒可采1000個數據。采集程序流程如圖8所示。

圖8 數據采集模塊流程圖

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據: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。通信協議包含下面幾個部分的內容:命令部分、數據部分、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。在電力系統操作電源中可以安全、穩定的運行。達到了預期的設計要求，并且已經在正式的產品中開始應用。

　　參考文獻
[1] 沈建華、楊艷琴、翟驍曙. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用.清華大學出版社.
[2] 秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計.電子工業出版社.
[3] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機.北京航空航天大學出版社.