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基于MSP430单片机的电源监控管理系统
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引言
大功率直流开关电源由PFC和DC-DC变换器组成，为了提高可靠性，并能够对其进行脱机或远程监控管理，在开关电源模块内设置监控管理系统。该系统对电源故障类进行监控，对电源输出的电压电流进行自动设定和调节，通过串行通信接口，与远程中心监控站进行远程监控和管理，这一功能在通信系统基站供电系统中尤为重要。本文提出了一种基于MSP430单片机的电源监控管理系统的设计和实现。
1 系统结构和硬件电路设计
系统的整体设计结构如图1所示。本系统采用的核心芯片为TI公司推出16位系列单片机MSP430。MSP430具有集成度高，外围设备丰富，超低功耗等优点。单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器，采用串行在线编程方法，单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统，在许多领域得到了广泛的应用。下面介绍该系统可以实现的功能和基于MSP430F149的电控系统的设计。
图1 系统总体结构
1.1 系统功能：
a．开机控制。上电后，单片机开始工作，按下电源键，点亮指示灯后，将电网 220V接入PFC，开关电源启动工作，然后接于负载。
b．电压设定和调节。用单片机A/D口采集开关电源的输出电压值，并显示于液晶屏上，通过单片机控制数字电位计调节输出电压值，实现自动调节；或者通过键盘的左右键选出电压调节页面，用上下键进行手动调节；也可以通过通信接口实现远程调节。
c．电流调节。多台开关电源并联使用时，要求各台电源的负载电压相等。单片机A/D口采集转换成电压值的负载电流值，通过通信口得到各台电流值，取电流平均值，控制数字电位计调节输出电压，使输出负载电流达到平均值；或者通过键盘的左右键选出电流调节页面，用上下键进行手动调节。
d．故障报警。单片机通过光电耦合器检测到各项输入输出故障时，扬声器产生蜂鸣，相应的报警灯闪烁，并在液晶屏上显示故障类型及处理方法。
e．监测。单片机A/D口对电网电压，输出电压，输出电流进行采集测量，当出现超限时进行报警。
f．通信。包括单片机与各台开关电源间的通信和单片机与中心监控站的通信。
1.2 电压调节电路
电压调节电路由单片机、数字电位计X9313和可调分流基准芯片TL431组成，其电路原理图如图2所示。Xicor9313是固态非易失性电位器，可用作数字控制的微调电位器。TL431是TI生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从VREF（2.5V）到36V范围内的任何值。工作时，单片机的一个IO控制INC计数输入脚，为其提供计数脉冲，此输入端为下降沿触发。另一个IO控制U/D升降输入端，当U/D为高电平时，X9313内部计数器进行加法计数，VW端的输出电压上升，由于VW接地，使VH端电压降低，而TL431的REF输出端电压为恒定的2.5V，从而使Vcc处输出电压升高；同理当U/D为低电平时，Vcc处输出电压降低，这样就实现了电压输出调节。
图2 电压调节电路
1.3 模拟数据采集
MSP430F149内嵌入一个高精度的，具有采样与保持功能的12位ADC转换模块，内部提供各种采样与保持时钟源。MSP430有8个外部输入通道可选,最高采样速度可达 200KHZ，并且还内置温度传感器,可以测量芯片内的温度，如果测量温度高于或低于预设的温度是，可以通过外接部件显示告警信息，同时具有6种可编程选择的内部参考电压。该转换模块为一些需要模拟量采集的场合提供了便利。我们选择的参考电压是0～2.5V，这样MSP430F149的AD分辨率就是2.5/4096 = 0.61V左右。由于输入的模拟电压量较高，不能直接与单片机的ADC采样端口相连，因此用串联一个滑动变阻器的方法进行了降压处理，成功解决了上述问题。
1.4 人机对话设计
系统的人机操作界面由液晶显示屏、指示灯和键盘组成。液晶选用的是基于T6963C的液晶模块YM12864。键盘采用的是3×3的阵列接法，系统采用了图形用户界面，操作简单易行，显示实用美观。工作时，液晶屏可以实时显示采集到的电网电压、输出电压、输出电流及各种报警信息，操作相应键盘可以进行显示页面的切换，对输出电压，输出电流进行自动、手动及远程控制调节。当有报警信息产生时，相应得指示灯会闪烁警示，同时与单片机连接的扬声器会产生报警蜂鸣声，以提醒操作人员做出相应的处理。
2 系统软件设计
430支持汇编语言和C语言两种语言编程 ,因此可以在一个工程文件中同时用两种语言,使用汇编语言,便于在调试时寻找逻辑和指令的联系及地址的定位正确与否。使用C语言进行编程大大减少了工作量 ,编好后的程序可读性好,易于修改和维护。开发工具使用IARSystems公司的IAR Embedded Workbench，它集成了编辑、编译、链接、下载与在线调试（Debug）等多种功能，使用方便，并具备高效的C语言编译能力。
考虑到软件开发效率及可维护性，系统软件设计遵循模块化的编程思想，将系统功能划分为几个相对独立的功能模块。它们包括：液晶显示模块、AD转换模块、按键监测响应模块、报警监测响应模块、电压电流调节模块、数据处理模块、通信模块。每个模块都要进行独立的测试，最后结合到一起。整个系统的软件流程图如图3所示。
图3 系统软件流程图
按键监测模块是其中的重要组成部分，它控制着 AD转换的启动，显示页面的切换，及电压电流的自动调节，手动调节，远程调节的启动和切换。报警监测模块对开关电源的保护起着至关重要的作用，它实时的监测着开关电源是否出现故障，当发生输入电压过压，输入电压欠压，PFC故障时应切断总电源，当发生输出电压过压，输出电压欠压，模块过热，及IPM保护故障时应关断DC-DC变换器。
在对各模块进行整合时，要注意各中断之间的冲突。由于在MSP430的中断优先级中，ADC12采样转换中断优先级高于TIMERA中断，因此当在响应TIMERA中断的过程中会执行ADC12采样转换中断，或者TIMERA的中断响应被迫延迟，这样就会影响在TIMERA中断中执行的报警监测响应程序，不能达到对开关电源故障类的实时检测。在本系统中，利用按键控制ADC12采样转换中断的启动和关闭，从而解决中断冲突。
3 结论
本文在基于MSP430F149电源监控管理系统的设计和实现的基础上对MSP430的系统设计做了讨论，提出并解决了在设计中出现的问题。本文作者的创新点:利用 MSP430的系统结构简单,外围电路少,效率高的特点,设计实现了简洁直观、使用方便、操作全程汉字提示、监控能力强、运行稳定、安全可靠的电源监控管理系统 ,大大降低了成本 ,取得了相当可观的经济效益，满足实际需求。
作者：刘静，吴志勇 来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第3-2期
大功率直流开关电源由PFC和DC-DC变换器组成，为了提高可靠性，并能够对其进行脱机或远程监控管理，在开关电源模块内设置监控管理系统。该系统对电源故障类进行监控，对电源输出的电压电流进行自动设定和调节，通过串行通信接口，与远程中心监控站进行远程监控和管理，这一功能在通信系统基站供电系统中尤为重要。本文提出了一种基于MSP430单片机的电源监控管理系统的设计和实现。
1 系统结构和硬件电路设计
系统的整体设计结构如图1所示。本系统采用的核心芯片为TI公司推出16位系列单片机MSP430。MSP430具有集成度高，外围设备丰富，超低功耗等优点。单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器，采用串行在线编程方法，单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统，在许多领域得到了广泛的应用。下面介绍该系统可以实现的功能和基于MSP430F149的电控系统的设计。
图1 系统总体结构
1.1 系统功能：
a．开机控制。上电后，单片机开始工作，按下电源键，点亮指示灯后，将电网 220V接入PFC，开关电源启动工作，然后接于负载。
b．电压设定和调节。用单片机A/D口采集开关电源的输出电压值，并显示于液晶屏上，通过单片机控制数字电位计调节输出电压值，实现自动调节；或者通过键盘的左右键选出电压调节页面，用上下键进行手动调节；也可以通过通信接口实现远程调节。
c．电流调节。多台开关电源并联使用时，要求各台电源的负载电压相等。单片机A/D口采集转换成电压值的负载电流值，通过通信口得到各台电流值，取电流平均值，控制数字电位计调节输出电压，使输出负载电流达到平均值；或者通过键盘的左右键选出电流调节页面，用上下键进行手动调节。
d．故障报警。单片机通过光电耦合器检测到各项输入输出故障时，扬声器产生蜂鸣，相应的报警灯闪烁，并在液晶屏上显示故障类型及处理方法。
e．监测。单片机A/D口对电网电压，输出电压，输出电流进行采集测量，当出现超限时进行报警。
f．通信。包括单片机与各台开关电源间的通信和单片机与中心监控站的通信。
1.2 电压调节电路
电压调节电路由单片机、数字电位计X9313和可调分流基准芯片TL431组成，其电路原理图如图2所示。Xicor9313是固态非易失性电位器，可用作数字控制的微调电位器。TL431是TI生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从VREF（2.5V）到36V范围内的任何值。工作时，单片机的一个IO控制INC计数输入脚，为其提供计数脉冲，此输入端为下降沿触发。另一个IO控制U/D升降输入端，当U/D为高电平时，X9313内部计数器进行加法计数，VW端的输出电压上升，由于VW接地，使VH端电压降低，而TL431的REF输出端电压为恒定的2.5V，从而使Vcc处输出电压升高；同理当U/D为低电平时，Vcc处输出电压降低，这样就实现了电压输出调节。
图2 电压调节电路
1.3 模拟数据采集
MSP430F149内嵌入一个高精度的，具有采样与保持功能的12位ADC转换模块，内部提供各种采样与保持时钟源。MSP430有8个外部输入通道可选,最高采样速度可达 200KHZ，并且还内置温度传感器,可以测量芯片内的温度，如果测量温度高于或低于预设的温度是，可以通过外接部件显示告警信息，同时具有6种可编程选择的内部参考电压。该转换模块为一些需要模拟量采集的场合提供了便利。我们选择的参考电压是0～2.5V，这样MSP430F149的AD分辨率就是2.5/4096 = 0.61V左右。由于输入的模拟电压量较高，不能直接与单片机的ADC采样端口相连，因此用串联一个滑动变阻器的方法进行了降压处理，成功解决了上述问题。
1.4 人机对话设计
系统的人机操作界面由液晶显示屏、指示灯和键盘组成。液晶选用的是基于T6963C的液晶模块YM12864。键盘采用的是3×3的阵列接法，系统采用了图形用户界面，操作简单易行，显示实用美观。工作时，液晶屏可以实时显示采集到的电网电压、输出电压、输出电流及各种报警信息，操作相应键盘可以进行显示页面的切换，对输出电压，输出电流进行自动、手动及远程控制调节。当有报警信息产生时，相应得指示灯会闪烁警示，同时与单片机连接的扬声器会产生报警蜂鸣声，以提醒操作人员做出相应的处理。
2 系统软件设计
430支持汇编语言和C语言两种语言编程 ,因此可以在一个工程文件中同时用两种语言,使用汇编语言,便于在调试时寻找逻辑和指令的联系及地址的定位正确与否。使用C语言进行编程大大减少了工作量 ,编好后的程序可读性好,易于修改和维护。开发工具使用IARSystems公司的IAR Embedded Workbench，它集成了编辑、编译、链接、下载与在线调试（Debug）等多种功能，使用方便，并具备高效的C语言编译能力。
考虑到软件开发效率及可维护性，系统软件设计遵循模块化的编程思想，将系统功能划分为几个相对独立的功能模块。它们包括：液晶显示模块、AD转换模块、按键监测响应模块、报警监测响应模块、电压电流调节模块、数据处理模块、通信模块。每个模块都要进行独立的测试，最后结合到一起。整个系统的软件流程图如图3所示。
图3 系统软件流程图
按键监测模块是其中的重要组成部分，它控制着 AD转换的启动，显示页面的切换，及电压电流的自动调节，手动调节，远程调节的启动和切换。报警监测模块对开关电源的保护起着至关重要的作用，它实时的监测着开关电源是否出现故障，当发生输入电压过压，输入电压欠压，PFC故障时应切断总电源，当发生输出电压过压，输出电压欠压，模块过热，及IPM保护故障时应关断DC-DC变换器。
在对各模块进行整合时，要注意各中断之间的冲突。由于在MSP430的中断优先级中，ADC12采样转换中断优先级高于TIMERA中断，因此当在响应TIMERA中断的过程中会执行ADC12采样转换中断，或者TIMERA的中断响应被迫延迟，这样就会影响在TIMERA中断中执行的报警监测响应程序，不能达到对开关电源故障类的实时检测。在本系统中，利用按键控制ADC12采样转换中断的启动和关闭，从而解决中断冲突。
3 结论
本文在基于MSP430F149电源监控管理系统的设计和实现的基础上对MSP430的系统设计做了讨论，提出并解决了在设计中出现的问题。本文作者的创新点:利用 MSP430的系统结构简单,外围电路少,效率高的特点,设计实现了简洁直观、使用方便、操作全程汉字提示、监控能力强、运行稳定、安全可靠的电源监控管理系统 ,大大降低了成本 ,取得了相当可观的经济效益，满足实际需求。
作者：刘静，吴志勇 来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第3-2期
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