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引言 大功率直流開關(guān)電源由PFC和DC-DC變換器組成，為了提高可靠性，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行脫機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，在開關(guān)電源模塊內(nèi)設(shè)置監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)電源故障類進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)電源輸出的電壓電流進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定和調(diào)節(jié)，通過串行通信接口，與遠(yuǎn)程中心監(jiān)控站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，這一功能在通信系統(tǒng)基站供電系統(tǒng)中尤為重要。本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)的電源監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用的核心芯片為TI公司推出16位系列單片機(jī)MSP430。MSP430具有集成度高，外圍設(shè)備豐富，超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。單片集成了多通道12bit的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，采用串行在線編程方法，單片可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。MSP430的這種高集成度使應(yīng)用人員不必在接口、外接I/O及存儲(chǔ)器上花太多的精力，而可以方便的設(shè)計(jì)真正意義上的單片系統(tǒng)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面介紹該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能和基于MSP430F149的電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 1.1 系統(tǒng)功能： a．開機(jī)控制。上電后，單片機(jī)開始工作，按下電源鍵，點(diǎn)亮指示燈后，將電網(wǎng) 220V接入PFC，開關(guān)電源啟動(dòng)工作，然后接于負(fù)載。 b．電壓設(shè)定和調(diào)節(jié)。用單片機(jī)A/D口采集開關(guān)電源的輸出電壓值，并顯示于液晶屏上，通過單片機(jī)控制數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)；或者通過鍵盤的左右鍵選出電壓調(diào)節(jié)頁面，用上下鍵進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)；也可以通過通信接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。 c．電流調(diào)節(jié)。多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)使用時(shí)，要求各臺(tái)電源的負(fù)載電壓相等。單片機(jī)A/D口采集轉(zhuǎn)換成電壓值的負(fù)載電流值，通過通信口得到各臺(tái)電流值，取電流平均值，控制數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸出負(fù)載電流達(dá)到平均值；或者通過鍵盤的左右鍵選出電流調(diào)節(jié)頁面，用上下鍵進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。 d．故障報(bào)警。單片機(jī)通過光電耦合器檢測到各項(xiàng)輸入輸出故障時(shí)，揚(yáng)聲器產(chǎn)生蜂鳴，相應(yīng)的報(bào)警燈閃爍，并在液晶屏上顯示故障類型及處理方法。 e．監(jiān)測。單片機(jī)A/D口對(duì)電網(wǎng)電壓，輸出電壓，輸出電流進(jìn)行采集測量，當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。 f．通信。包括單片機(jī)與各臺(tái)開關(guān)電源間的通信和單片機(jī)與中心監(jiān)控站的通信。 1.2 電壓調(diào)節(jié)電路 電壓調(diào)節(jié)電路由單片機(jī)、數(shù)字電位計(jì)X9313和可調(diào)分流基準(zhǔn)芯片TL431組成，其電路原理圖如圖2所示。Xicor9313是固態(tài)非易失性電位器，可用作數(shù)字控制的微調(diào)電位器。TL431是TI生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從VREF（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。工作時(shí)，單片機(jī)的一個(gè)IO控制INC計(jì)數(shù)輸入腳，為其提供計(jì)數(shù)脈沖，此輸入端為下降沿觸發(fā)。另一個(gè)IO控制U/D升降輸入端，當(dāng)U/D為高電平時(shí)，X9313內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，VW端的輸出電壓上升，由于VW接地，使VH端電壓降低，而TL431的REF輸出端電壓為恒定的2.5V，從而使Vcc處輸出電壓升高；同理當(dāng)U/D為低電平時(shí)，Vcc處輸出電壓降低，這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓輸出調(diào)節(jié)。
圖2 電壓調(diào)節(jié)電路 1.3 模擬數(shù)據(jù)采集 MSP430F149內(nèi)嵌入一個(gè)高精度的，具有采樣與保持功能的12位ADC轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部提供各種采樣與保持時(shí)鐘源。MSP430有8個(gè)外部輸入通道可選,最高采樣速度可達(dá) 200KHZ，并且還內(nèi)置溫度傳感器,可以測量芯片內(nèi)的溫度，如果測量溫度高于或低于預(yù)設(shè)的溫度是，可以通過外接部件顯示告警信息，同時(shí)具有6種可編程選擇的內(nèi)部參考電壓。該轉(zhuǎn)換模塊為一些需要模擬量采集的場合提供了便利。我們選擇的參考電壓是0～2.5V，這樣MSP430F149的AD分辨率就是2.5/4096 = 0.61V左右。由于輸入的模擬電壓量較高，不能直接與單片機(jī)的ADC采樣端口相連，因此用串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器的方法進(jìn)行了降壓處理，成功解決了上述問題。 1.4 人機(jī)對(duì)話設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的人機(jī)操作界面由液晶顯示屏、指示燈和鍵盤組成。液晶選用的是基于T6963C的液晶模塊YM12864。鍵盤采用的是3×3的陣列接法，系統(tǒng)采用了圖形用戶界面，操作簡單易行，顯示實(shí)用美觀。工作時(shí)，液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示采集到的電網(wǎng)電壓、輸出電壓、輸出電流及各種報(bào)警信息，操作相應(yīng)鍵盤可以進(jìn)行顯示頁面的切換，對(duì)輸出電壓，輸出電流進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)及遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)。當(dāng)有報(bào)警信息產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)得指示燈會(huì)閃爍警示，同時(shí)與單片機(jī)連接的揚(yáng)聲器會(huì)產(chǎn)生報(bào)警蜂鳴聲，以提醒操作人員做出相應(yīng)的處理。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 430支持匯編語言和C語言兩種語言編程 ,因此可以在一個(gè)工程文件中同時(shí)用兩種語言,使用匯編語言,便于在調(diào)試時(shí)尋找邏輯和指令的聯(lián)系及地址的定位正確與否。使用C語言進(jìn)行編程大大減少了工作量 ,編好后的程序可讀性好,易于修改和維護(hù)。開發(fā)工具使用IARSystems公司的IAR Embedded Workbench，它集成了編輯、編譯、鏈接、下載與在線調(diào)試（Debug）等多種功能，使用方便，并具備高效的C語言編譯能力。 考慮到軟件開發(fā)效率及可維護(hù)性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化的編程思想，將系統(tǒng)功能劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊。它們包括：液晶顯示模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、按鍵監(jiān)測響應(yīng)模塊、報(bào)警監(jiān)測響應(yīng)模塊、電壓電流調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊。每個(gè)模塊都要進(jìn)行獨(dú)立的測試，最后結(jié)合到一起。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件流程圖 按鍵監(jiān)測模塊是其中的重要組成部分，它控制著 AD轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)，顯示頁面的切換，及電壓電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的啟動(dòng)和切換。報(bào)警監(jiān)測模塊對(duì)開關(guān)電源的保護(hù)起著至關(guān)重要的作用，它實(shí)時(shí)的監(jiān)測著開關(guān)電源是否出現(xiàn)故障，當(dāng)發(fā)生輸入電壓過壓，輸入電壓欠壓，PFC故障時(shí)應(yīng)切斷總電源，當(dāng)發(fā)生輸出電壓過壓，輸出電壓欠壓，模塊過熱，及IPM保護(hù)故障時(shí)應(yīng)關(guān)斷DC-DC變換器。 在對(duì)各模塊進(jìn)行整合時(shí)，要注意各中斷之間的沖突。由于在MSP430的中斷優(yōu)先級(jí)中，ADC12采樣轉(zhuǎn)換中斷優(yōu)先級(jí)高于TIMERA中斷，因此當(dāng)在響應(yīng)TIMERA中斷的過程中會(huì)執(zhí)行ADC12采樣轉(zhuǎn)換中斷，或者TIMERA的中斷響應(yīng)被迫延遲，這樣就會(huì)影響在TIMERA中斷中執(zhí)行的報(bào)警監(jiān)測響應(yīng)程序，不能達(dá)到對(duì)開關(guān)電源故障類的實(shí)時(shí)檢測。在本系統(tǒng)中，利用按鍵控制ADC12采樣轉(zhuǎn)換中斷的啟動(dòng)和關(guān)閉，從而解決中斷沖突。 3 結(jié)論 本文在基于MSP430F149電源監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)MSP430的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了討論，提出并解決了在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn):利用 MSP430的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,外圍電路少,效率高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡潔直觀、使用方便、操作全程漢字提示、監(jiān)控能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的電源監(jiān)控管理系統(tǒng) ,大大降低了成本 ,取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，滿足實(shí)際需求。 作者：劉靜，吳志勇 來源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
