1 背景介紹

   隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代自動(dòng)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(gè)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、不擅長數(shù)據(jù)處理的缺點(diǎn)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. 由于其超低功耗、強(qiáng)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(jià)。本文介紹采用MSP430單片機(jī)控制開關(guān)電源時(shí)期穩(wěn)定運(yùn)行。

  2 MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)

  2.1 處理能力強(qiáng)

  MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，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(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序運(yùn)算速度快。

　 MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)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(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)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(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，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(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。可以只使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5μA ，在RAM 保持模式下，可達(dá)0.1μA 。

   2.2片內(nèi)資源豐富

　 MSP430 系列單片機(jī)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(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)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(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)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(dá)200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲器串行擴(kuò)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(jī)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(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，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?yàn)槠骷瑑?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(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機(jī)和一個(gè) 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(jì)

   本系統(tǒng)采用MSP430F155型號單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源的穩(wěn)定控制，主要包括如下幾個(gè)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(jì)

   4.1 MSP430部分

   MSP430F155單片機(jī)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(shí)鐘LFXT1振蕩器工作在低頻模式，外接低速晶振，作為內(nèi)部時(shí)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(shí)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(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、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(jìn)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(yùn)放搭建的跟隨器輸出OUT-V，直接給單片機(jī)使用。圖3中的電位器微調(diào)，用于調(diào)整單片機(jī)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(fù)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(yùn)算放大器視要求使用，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易達(dá)到較高的和較好的穩(wěn)定性。此處選用BB公司的高運(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，再通過跟隨器及電位器VR2微調(diào)，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，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(jī)通過D/A給定兩個(gè)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。

   由于MSP430F155系列的單片機(jī)D/A電壓輸出的幅值為VCC，達(dá)不到控制電壓環(huán)和電流環(huán)所需要的幅值，從而采用圖5所示的運(yùn)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(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

圖5 運(yùn)算放大電路

   4.4 通訊電路

   通訊模塊是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，控制器通過通訊模塊實(shí)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)、控制命令等的接收，能否設(shè)計(jì)一個(gè)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(qiáng)度大，使ADM2483的5V電源畸形波動(dòng)，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(jì)

   軟件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、中斷報(bào)警模塊、內(nèi)部存儲模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個(gè)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(gè)外設(shè)寄存器及變量、讀取歷史信息、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢查報(bào)警信息并及時(shí)將各種狀態(tài)信息上傳上位機(jī)，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(dá)200Ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，能適應(yīng)輸入信號的變化，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足系統(tǒng)的需要?？刂破鲗Χ€(gè)信號進(jìn)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(diǎn)在同一個(gè)采樣周期內(nèi)，軟件采用定時(shí)中斷采樣法。定時(shí)中斷時(shí)間t=T/N，其中t為定時(shí)中斷時(shí)間，N為采樣的點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)的選擇還要考慮測量數(shù)據(jù)的和運(yùn)算速度的因素。以滿足MSP430F155運(yùn)行的需要。

   本系統(tǒng)高頻晶振為8MHz，用TimerB作為定時(shí)中斷器，定時(shí)器計(jì)數(shù)值為8000,即每隔1000us采一個(gè)點(diǎn)，每秒可采1000個(gè)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(jī)必須能處理以下問題:單片機(jī)可以識別外部傳來的附加在命令之上的數(shù)據(jù):單片機(jī)應(yīng)該能夠識別無效指令通信中，單片機(jī)應(yīng)能處理一些通信錯(cuò)誤，并對錯(cuò)誤做出相應(yīng)的處理;不管收到任何傳送給本機(jī)的命令，本機(jī)都應(yīng)做出相應(yīng)的響應(yīng)。通信協(xié)議包含下面幾個(gè)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(jī)通過軟件和硬件的設(shè)計(jì)，充分地在它的抗干擾性、運(yùn)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(yùn)行。達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并且已經(jīng)在正式的產(chǎn)品中開始應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
[1] 沈建華、楊艷琴、翟驍曙. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.

[2] 秦龍.MSP430單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.

[3] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī).北京航空航天大學(xué)出版社.

[4] MSP430 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MSP430_490166.html.

[5] RISC datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RISC_1189725.html.

[6] 25MHz datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/25MHz_1136611.html.

[7] 40ns datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/40ns_1779288.html.

[8] ROM  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM+_1188413.html.

[9] PC  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PC+_2043275.html.

[10] MSP430F155 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MSP430F155_1095591.html.

[11] OPA177 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/OPA177_524643.html.

[12] 30A datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/30A_953528.html.

[13] ADM2483 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ADM2483_1131174.html.