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MSP430單片機(jī)在電力系統(tǒng)操作電源中的應(yīng)用
秦濤 徐穎劉富利 韋鍵
（哈爾濱九洲電氣股份有限公司 哈爾濱150040 ）
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(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(hào)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(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),即用一個(gè)公共空間對全部功能模塊進(jìn)行尋址,同時(shí)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(shí)現(xiàn)運(yùn)算.在MSP430系列單片機(jī)中,系統(tǒng)各個(gè)功能模塊完全是獨(dú)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(diǎn)。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:1、超低功耗。2、強(qiáng)大的處理能力。3、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。4、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。5、方便高效的開發(fā)環(huán)境。
本系統(tǒng)采用MSP430F155型號(hào)單片機(jī)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下:
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
MSP430F155單片機(jī)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)組成如系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖所示。
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。
電源對A/D轉(zhuǎn)換的精度有直接的影響，數(shù)字、模擬需要分別供電，并且電源連接接地點(diǎn)的旁路電容采用鉭電容和磁片電容并聯(lián)的方式，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。在模擬地和數(shù)字地之間接入反向并聯(lián)的二極管對，以消除低于700mV的電壓差�；蛘咴谀M地和數(shù)字地之間接入一個(gè)0歐姆的電阻，以減少模擬地對數(shù)字地帶來的噪聲干擾，為單片機(jī)的穩(wěn)定工作提供了良好的環(huán)境。用戶通過JTAG接口進(jìn)行程序下載，實(shí)現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能。
1.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換電路
目前，很多設(shè)計(jì)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)，不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)存在問題。
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(huì)存在3個(gè)問題:輸入和輸出最大電壓限制問題;兩個(gè)電源間電流的互串問題;輸入轉(zhuǎn)換門限問題。
器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。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，則電流將會(huì)通過二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號(hào)，則5V電源將會(huì)向3V電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和電路器件。在等待或掉電方式時(shí)，3V電源降落到OV，大電流將流通到地，這使總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。另外，用5V器件來驅(qū)動(dòng)3V器件有很多不同情況，同樣TTL和CMOs間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限保證不損壞電路元件。
1.2.2 邏輯電平接口電路設(shè)計(jì)
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。在此選用74LVC07作為  邏輯電平接口芯片。74LVC07是一種雙電源的電平移位器，電路如下圖所示。VDD1端用5V電源供電，而VCC端用3. 3V電源供電。
74LVC07的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。雙電源能保證兩邊的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此，該器件作為混合邏輯電平電路中的接口芯片是很理想的。
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(hào)與弱電信號(hào)之間的隔離和變換，該電路包括電壓信號(hào)分壓電路、電流信號(hào)放大電路、電平提升電路和濾波電路等。
1.3.1 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路
采集電壓范圍不適合MSP430F155的要求，應(yīng)對其信號(hào)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。圖中的電位器微調(diào)，用于調(diào)整單片機(jī)系數(shù)。
1.3.2 電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過放大電路把電壓信號(hào)升高到MSP430F155允許的幅值。運(yùn)算放大器視精度要求使用，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。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(jí)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(hào)是電壓信號(hào)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。
1.3.3 輸出信號(hào)的給定放大電路
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電壓輸出的最大幅值為VCC，達(dá)不到控制電壓環(huán)和電流環(huán)所需要的幅值，從而采用下圖所示的運(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。
1.4 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)，最終導(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
2 本系統(tǒng)采用MSP430F155的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語言。并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
系統(tǒng)程序由數(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(chǔ)模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個(gè)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(jì)：
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
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(shí)間短，能適應(yīng)輸入信號(hào)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。控制器對二個(gè)信號(hào)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)的精度和運(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)。采集程序流程如下圖所示。
2.2 參數(shù)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)
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，為了保證控制器可靠的進(jìn)行控制操作，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，本系統(tǒng)除了在硬件上采用濾波技術(shù)之外，在軟件算法中采用數(shù)字濾波。
常用的數(shù)字濾波算法有以下幾種:
2.2.1 程序判斷法程序判斷法又稱限幅濾波法，其方法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出增量(以絕對值表示)，然后與兩次允許的最大差值△Y進(jìn)行比較，△Y的大小由被測對象的具體情況而定，若小于或等于△Y，則取本次采樣值;若大于△Y；則取上次采樣值作為本次采樣值，即
|Yn一Yn-1|≤△Y，則Yn有效，
|Yn一Yn-1|<△Y，則Yn-1有效.
2.2.2 中值濾波法對某一參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般為齊次)，將N次采樣值按從小到大排隊(duì)，再取中間值作為本次采樣值。
2.2.3 算術(shù)平均濾波法對連續(xù)N次采樣值進(jìn)行算術(shù)平均，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Y 其中Y為平均值，Y為第i次采樣值。算術(shù)平均濾波法對信號(hào)的平滑程度完全取決于N. N越大，平滑度越高，靈敏度越低。反之，平滑度低，靈敏度高。
軟件設(shè)計(jì)中，采樣的電壓、電流均采用了軟件濾波算法。由于本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，而可靠性要求較高，因而濾波算法選取主要考慮計(jì)算的穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)的計(jì)算速度，所有的計(jì)算均是邊采樣邊計(jì)算。
2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)
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(shí)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(shí)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(hào)部分、誤檢測部分和起始字、結(jié)束字。
2.4 FLASH型信息存儲(chǔ)器讀寫程序設(shè)計(jì)
在惡劣的工作環(huán)境中，測控系統(tǒng)常常受到各種干擾。干擾的主要影響之一是破壞了系統(tǒng)正常工作所需的各種可編程常數(shù)以及測控得到的測量數(shù)據(jù)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大為降低。因此，保護(hù)這些要求非易失性存儲(chǔ)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)不被破壞、確保數(shù)據(jù)的安全性對于測控系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。
本系統(tǒng)中，一些參數(shù)要由用戶來設(shè)定，在系統(tǒng)斷電以后，要求這些參數(shù)不會(huì)丟失。MSP430F155芯片集成有256字節(jié)的FLASH信息存儲(chǔ)器，而且在編程時(shí)可以通過修改配置文件來將屬于程序存儲(chǔ)空間的地址劃分為信息存儲(chǔ)空間以適應(yīng)所需保存的數(shù)據(jù)量的要求，因此，從數(shù)據(jù)的可靠性以及保存的數(shù)據(jù)量、擦寫次數(shù)和硬件成本等因素考慮，本系統(tǒng)利用MSP430F155芯片片內(nèi)集成的FLASH信息存儲(chǔ)器來記錄系統(tǒng)參數(shù)。
3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
3.1 開關(guān)量輸入輸出的抗干擾措施
干擾信號(hào)一般都是很窄的脈沖，而開關(guān)量信號(hào)持續(xù)有效的時(shí)間較長。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對同一開關(guān)量信號(hào)連續(xù)多次采集或間隔一個(gè)很短的時(shí)間多次采集。間隔的時(shí)間可以根據(jù)有用信號(hào)的寬度和要求相應(yīng)的速度來確定，連續(xù)兩次或兩次以上采集的結(jié)果完全相同才一認(rèn)為有效。
在系統(tǒng)中，常常會(huì)用開關(guān)量輸出電路來IGBT等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，往往產(chǎn)生干擾信號(hào)，有時(shí)這些干擾信號(hào)會(huì)通過公用線路反饋到輸出接口，可能改變輸出寄存器的內(nèi)容，造成誤動(dòng)作。最有效的軟件解決辦法就是重復(fù)輸出相同的數(shù)據(jù)給外部負(fù)載。如有可能，重復(fù)周期盡可能地短，使外部設(shè)備收到干擾信號(hào)還來不及作出反應(yīng)，正確的輸出信息又送到了，這樣就可以防止誤動(dòng)作。
3.2 模擬量輸入輸出的抗干擾素措施
干擾信號(hào)作用到模擬量輸入通道上，使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值口對于微弱的模擬量信號(hào)，問題更為嚴(yán)重。如果僅僅采樣一次，無法確定結(jié)果是否可信，必須多次采樣，對采樣序列值經(jīng)過比較和處理后，才能得到一個(gè)較為可信的轉(zhuǎn)換值。亦即進(jìn)行數(shù)字濾波。
數(shù)字濾波的方法有很多種，比如算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、慣性濾波等。在本系統(tǒng)中，A/D濾波采用中值濾波法、算術(shù)平均值濾波等，以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對采樣結(jié)果的影響。
3.3程序執(zhí)行過程中的抗干擾素措施
如果干擾信號(hào)通過某種途徑作用到CPU上，則CPU就不能按正常執(zhí)行狀態(tài)執(zhí)行程序而引起混亂，即程序“跑飛”。程序“跑飛”后往往將一些操作數(shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，從而引起整個(gè)程序的混亂。采用“指令冗余”，就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令。當(dāng)程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令來執(zhí)行的錯(cuò)誤，即該條指令不會(huì)被前面沖下來的失控程序拆散，而會(huì)得到完整的執(zhí)行，從而使程序重新納入正常軌道。
另一種軟件抗干擾素措施即所謂“軟件陷阱”�！败浖葳濉笔且粭l引導(dǎo)指令，用來捕獲跑飛的程序并強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門處理錯(cuò)誤的程序。通常軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不會(huì)影響程序的執(zhí)行效率。
如果“跑飛”的程序落到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力，這時(shí)只有采用復(fù)位的方法強(qiáng)迫程序從頭開始重新運(yùn)行來使系統(tǒng)恢復(fù)正常。最常用的一種自動(dòng)復(fù)位方法就是采用“看門狗”。
4 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
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