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引言 大功率直流開(kāi)關(guān)電源由PFC和DC-DC變換器組成，為了提高可靠性，并能夠對其進(jìn)行脫機或遠程監控管理，在開(kāi)關(guān)電源模塊內設置監控管理系統。該系統對電源故障類(lèi)進(jìn)行監控，對電源輸出的電壓電流進(jìn)行自動(dòng)設定和調節，通過(guò)串行通信接口，與遠程中心監控站進(jìn)行遠程監控和管理，這一功能在通信系統基站供電系統中尤為重要。本文提出了一種基于MSP430單片機的電源監控管理系統的設計和實(shí)現。 1 系統結構和硬件電路設計 系統的整體設計結構如圖1所示。本系統采用的核心芯片為T(mén)I公司推出16位系列單片機MSP430。MSP430具有集成度高，外圍設備豐富，超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。單片集成了多通道12bit的A/D轉換、片內精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、片內USART、看門(mén)狗定時(shí)器、片內數控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器，采用串行在線(xiàn)編程方法，單片可以滿(mǎn)足絕大多數的應用需要。MSP430的這種高集成度使應用人員不必在接口、外接I/O及存儲器上花太多的精力，而可以方便的設計真正意義上的單片系統，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。下面介紹該系統可以實(shí)現的功能和基于MSP430F149的電控系統的設計。 
圖1 系統總體結構 1.1 系統功能： a．開(kāi)機控制。上電后，單片機開(kāi)始工作，按下電源鍵，點(diǎn)亮指示燈后，將電網(wǎng) 220V接入PFC，開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)工作，然后接于負載。 b．電壓設定和調節。用單片機A/D口采集開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓值，并顯示于液晶屏上，通過(guò)單片機控制數字電位計調節輸出電壓值，實(shí)現自動(dòng)調節；或者通過(guò)鍵盤(pán)的左右鍵選出電壓調節頁(yè)面，用上下鍵進(jìn)行手動(dòng)調節；也可以通過(guò)通信接口實(shí)現遠程調節。 c．電流調節。多臺開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)使用時(shí)，要求各臺電源的負載電壓相等。單片機A/D口采集轉換成電壓值的負載電流值，通過(guò)通信口得到各臺電流值，取電流平均值，控制數字電位計調節輸出電壓，使輸出負載電流達到平均值；或者通過(guò)鍵盤(pán)的左右鍵選出電流調節頁(yè)面，用上下鍵進(jìn)行手動(dòng)調節。 d．故障報警。單片機通過(guò)光電耦合器檢測到各項輸入輸出故障時(shí)，揚聲器產(chǎn)生蜂鳴，相應的報警燈閃爍，并在液晶屏上顯示故障類(lèi)型及處理方法。 e．監測。單片機A/D口對電網(wǎng)電壓，輸出電壓，輸出電流進(jìn)行采集測量，當出現超限時(shí)進(jìn)行報警。 f．通信。包括單片機與各臺開(kāi)關(guān)電源間的通信和單片機與中心監控站的通信。 1.2 電壓調節電路 電壓調節電路由單片機、數字電位計X9313和可調分流基準芯片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，可用作數字控制的微調電位器。TL431是TI生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源，它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設置到從VREF（2.5V）到36V范圍內的任何值。工作時(shí)，單片機的一個(gè)IO控制INC計數輸入腳，為其提供計數脈沖，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U/D為高電平時(shí)，X9313內部計數器進(jìn)行加法計數，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U/D為低電平時(shí)，Vcc處輸出電壓降低，這樣就實(shí)現了電壓輸出調節。
圖2 電壓調節電路 1.3 模擬數據采集 MSP430F149內嵌入一個(gè)高精度的，具有采樣與保持功能的12位ADC轉換模塊，內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 200KHZ，并且還內置溫度傳感器,可以測量芯片內的溫度，如果測量溫度高于或低于預設的溫度是，可以通過(guò)外接部件顯示告警信息，同時(shí)具有6種可編程選擇的內部參考電壓。該轉換模塊為一些需要模擬量采集的場(chǎng)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(wèn)題。 1.4 人機對話(huà)設計 系統的人機操作界面由液晶顯示屏、指示燈和鍵盤(pán)組成。液晶選用的是基于T6963C的液晶模塊YM12864。鍵盤(pán)采用的是3×3的陣列接法，系統采用了圖形用戶(hù)界面，操作簡(jiǎn)單易行，顯示實(shí)用美觀(guān)。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、輸出電流及各種報警信息，操作相應鍵盤(pán)可以進(jìn)行顯示頁(yè)面的切換，對輸出電壓，輸出電流進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)及遠程控制調節。當有報警信息產(chǎn)生時(shí)，相應得指示燈會(huì )閃爍警示，同時(shí)與單片機連接的揚聲器會(huì )產(chǎn)生報警蜂鳴聲，以提醒操作人員做出相應的處理。 2 系統軟件設計 430支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言兩種語(yǔ)言編程 ,因此可以在一個(gè)工程文件中同時(shí)用兩種語(yǔ)言,使用匯編語(yǔ)言,便于在調試時(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(yǔ)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。開(kāi)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(xiàn)調試（Debug）等多種功能，使用方便，并具備高效的C語(yǔ)言編譯能力。 考慮到軟件開(kāi)發(fā)效率及可維護性，系統軟件設計遵循模塊化的編程思想，將系統功能劃分為幾個(gè)相對獨立的功能模塊。它們包括：液晶顯示模塊、AD轉換模塊、按鍵監測響應模塊、報警監測響應模塊、電壓電流調節模塊、數據處理模塊、通信模塊。每個(gè)模塊都要進(jìn)行獨立的測試，最后結合到一起。整個(gè)系統的軟件流程圖如圖3所示。
圖3 系統軟件流程圖 按鍵監測模塊是其中的重要組成部分，它控制著(zhù) AD轉換的啟動(dòng)，顯示頁(yè)面的切換，及電壓電流的自動(dòng)調節，手動(dòng)調節，遠程調節的啟動(dòng)和切換。報警監測模塊對開(kāi)關(guān)電源的保護起著(zhù)至關(guān)重要的作用，它實(shí)時(shí)的監測著(zhù)開(kāi)關(guān)電源是否出現故障，當發(fā)生輸入電壓過(guò)壓，輸入電壓欠壓，PFC故障時(shí)應切斷總電源，當發(fā)生輸出電壓過(guò)壓，輸出電壓欠壓，模塊過(guò)熱，及IPM保護故障時(shí)應關(guān)斷DC-DC變換器。 在對各模塊進(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)先級中，ADC12采樣轉換中斷優(yōu)先級高于TIMERA中斷，因此當在響應TIMERA中斷的過(guò)程中會(huì )執行ADC12采樣轉換中斷，或者TIMERA的中斷響應被迫延遲，這樣就會(huì )影響在TIMERA中斷中執行的報警監測響應程序，不能達到對開(kāi)關(guān)電源故障類(lèi)的實(shí)時(shí)檢測。在本系統中，利用按鍵控制ADC12采樣轉換中斷的啟動(dòng)和關(guān)閉，從而解決中斷沖突。 3 結論 本文在基于MSP430F149電源監控管理系統的設計和實(shí)現的基礎上對MSP430的系統設計做了討論，提出并解決了在設計中出現的問(wèn)題。本文作者的創(chuàng )新點(diǎn):利用 MSP430的系統結構簡(jiǎn)單,外圍電路少,效率高的特點(diǎn),設計實(shí)現了簡(jiǎn)潔直觀(guān)、使用方便、操作全程漢字提示、監控能力強、運行穩定、安全可靠的電源監控管理系統 ,大大降低了成本 ,取得了相當可觀(guān)的經(jīng)濟效益，滿(mǎn)足實(shí)際需求。 作者：劉靜，吳志勇 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
