基于MSP430的開關電源抗干擾設計
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摘要：在電力系統中，隨著高頻開關電源結構的日趨復雜,促使技術人員開發新的控制手段來迅速反映模塊變化,以大幅度提高開關電源模塊穩定運行水平.在整個控制系統中,要求處理采樣數據及采用的算法也越來越多.本文介紹在電力系統電磁干擾強度高的環境中MSP430單片機如何穩定控制開關電源的運行。
關鍵詞: MSP430F155 開關電源 控制
MSP430系列單片機是美國德州儀器推向市場，屬于16位超低功耗的混合信號處理器.該單片機將大量的外圍模塊整合到片內,采用存儲器-存儲器結構,即用一個公共空間對全部功能模塊進行尋址,同時用16位精算指令組(RISC)對全部功能模塊進行操作,其RAM單元也可實現運算.在MSP430系列單片機中,系統各個功能模塊完全是獨立運行的。本系統采用MSP430F155型號單片機。
一、系統邏輯電平轉換電路
目前，很多設計中3V(含3.3V)邏輯系統和5V邏輯系統共存。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，則5V電源將會向3V電源充電。持續的電流將會損壞二極管和電路器件。在等待或掉電方式時，3V電源降落到0V，大電流將流通到地，這使總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數據丟失和元件損壞。另外，用5V器件來驅動3V器件有很多不同情況，同樣TTL和CMOS間的轉換電平也存在不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，并要有足夠的容限保證不損壞電路元件。
MSP430是典型的低工作電壓芯片（工作電壓1.8-3.6），通訊芯片ADM2483采用的5V供電。因此選用雙電源的電平移位器74LVC07作為邏輯電平接口芯片。74LVC07的電平移位在其內部進行。雙電源能保證兩邊的輸出擺幅都能達到滿電源幅值，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。
二、系統軟件設計
本系統的軟件設計使用C語言。并采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊，這樣不僅有利于今后實現功能擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。系統程序由數據采集模塊、參數計算模塊、中斷報警模塊、內部存儲模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個組成部分。
下面分別介紹各主要模塊設計：
1、 數據采集模塊設計
MSP430F155內部集成的12位精度的A/D轉換模塊內置參考電平發生器和采樣保持電路，最大采樣速率達200Ksps，轉換時間短，能適應輸入信號的變化，且具有很強的抗干擾能力，能夠滿足系統的需要?？刂破鲗Χ€信號進行采樣，對應A/D轉換通道的3, 4通道，分別為:模塊的輸出電壓和輸出電流。
為了確保采樣點在同一個采樣周期內，軟件采用定時中斷采樣法。定時中斷時間t=T/N，其中t為定時中斷時間，N為采樣的點數，采樣點數的選擇還要考慮測量數據的精度和運算速度的因素。以滿足MSP430F155運行的需要。
2、 參數計算模塊設計
控制器在現場運行中，總是存在著各種各樣的現場干擾，為了保證控制器可靠的進行控制操作，必須盡可能大的抑制各種干擾和測量所引入的隨機誤差。為此，本系統除了在硬件上采用濾波技術之外，軟件設計中，采樣的電壓、電流均采用了算術平均濾波法。算術平均濾波法對連續N次采樣值進行算術平均，其數學表達式為Y 其中Y為平均值，Y為第i次采樣值。算術平均濾波法對信號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。
由于本系統的實時性要求不是很高，而可靠性要求較高，因而濾波算法選取主要考慮計算的穩定。為了提高系統的計算速度，所有的計算均是邊采樣邊計算。
3、 通訊模塊設計
要保證通訊成功，單片機必須可以識別外部傳來的附加在命令之上的數據，必須能夠識別無效指令通信，單片機應能處理一些通信錯誤，并對錯誤做出相應的處理;不管收到任何傳送給本機的命令，本機都應做出相應的響應。通信協議包含下面幾個部分的內容:命令部分、數據部分、編號部分、誤檢測部分和起始字、結束字。
4、 FLASH型信息存儲器讀寫程序設計
在惡劣的工作環境中，測控系統常常受到各種干擾。干擾的主要影響之一是破壞了系統正常工作所需的各種可編程常數以及測控得到的測量數據，從而使得整個系統的可靠性大為降低。因此，保護這些要求非易失性存儲的關鍵數據不被破壞、確保數據的安全性對于測控系統來說是至關重要的。
本系統中，一些參數要由用戶來設定，在系統斷電以后，要求這些參數不會丟失。MSP430F155芯片集成有256字節的FLASH信息存儲器，而且在編程時可以通過修改配置文件來將屬于程序存儲空間的地址劃分為信息存儲空間以適應所需保存的數據量的要求，因此，從數據的可靠性以及保存的數據量、擦寫次數和硬件成本等因素考慮，本系統利用MSP430F155芯片片內集成的FLASH信息存儲器來記錄系統參數。
三、 軟件抗干擾設計
1、 開關量輸入輸出的抗干擾措施
干擾信號一般都是很窄的脈沖，而開關量信號持續有效的時間較長。根據這一特點，可以對同一開關量信號連續多次采集或間隔一個很短的時間多次采集。間隔的時間可以根據有用信號的寬度和要求相應的速度來確定，連續兩次或兩次以上采集的結果完全相同才一認為有效。
在系統中，常常會用開關量輸出電路IGBT等執行機構。這些執行機構動作時，往往產生干擾信號，有時這些干擾信號會通過公用線路反饋到輸出接口，可能改變輸出寄存器的內容，造成誤動作。最有效的軟件解決辦法就是重復輸出相同的數據給外部負載。如有可能，重復周期盡可能地短，使外部設備收到干擾信號還來不及作出反應，正確的輸出信息又送到了，這樣就可以防止誤動作。
2、 模擬量輸入輸出的抗干擾措施
干擾信號作用到模擬量輸入通道上，使A/D轉換結果偏離真實值口對于微弱的模擬量信號，問題更為嚴重。如果僅僅采樣一次，無法確定結果是否可信，必須多次采樣，對采樣序列值經過比較和處理后，才能得到一個較為可信的轉換值。在本系統中，A/D濾波采用中值濾波法、算術平均值濾波等，以減少系統的隨機干擾對采樣結果的影響。
3、程序執行過程中的抗干擾素措施
如果干擾信號通過某種途徑作用到CPU上，則CPU就不能按正常執行狀態執行程序而引起混亂，即程序“跑飛”。程序“跑飛”后往往將一些操作數當作操作碼來執行，從而引起整個程序的混亂。采用“指令冗余”，就是在一些關鍵的地方人為地插入一些單字節的空操作指令。當程序“跑飛”到某條單字節指令上時，就不會發生將操作數當成指令來執行的錯誤，即該條指令不會被前面沖下來的失控程序拆散，而會得到完整的執行，從而使程序重新納入正常軌道。如果“跑飛”的程序落到一個臨時構成的死循環中，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力，這時只有采用復位的方法強迫程序從頭開始重新運行來使系統恢復正常。最常用的一種自動復位方法就是采用“看門狗”。
結束語，
綜上所述， MSP430單片機通過軟件和硬件的設計，充分地在它的抗干擾性、運算速度快等性能。在電力系統操作電源中可以安全、穩定的運行。達到了預期的設計要求，并且已經在正式的產品中開始應用。
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