基于msp430f169数控电源的设计

目录1引言（1）2系统方案设计与论证（1）21方案论证与选择（1）22系统整体方案（2）3系统硬件电路设计（3）31单片机最小系统（3）32功率放大电路（7）33显示电路（9）34按键电路（10）4系统软件的设计及系统测试（10）41主程序（12）42电压步进子程序（13）43扩展输出子程序（14）44系统测试（14）5小结（15）参考文献（16）致谢（18）11引言电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到005V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。本设计以超低功耗单片机MSP430F169作为微控制器，利用MSP430F169的内部AD和DA模块，实现步进01V，099V可调。另外扩展输出正弦波、锯齿波信号，通过运算放大器和功率三极管电路产生符合设计要求的电压和电流信号。可以通过8位独立键盘选择波形类型，并且应用液晶显示器显示电压值。2系统方案设计与论证21方案论证与选择本文所设计的数控直流电源与传统稳压电源相比具有操作方便、电压稳定度高的特点其输出电压大小采用液晶显示，能应用不同的场合的需求。方案一本方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。方案二采用MSP430F169单片机外部电路生成波形，利用软件的方法产生波形，不会产生高次谐波分量，产生的波形比较纯净。利用程序可以灵活的实现四种波形，SP430F169有64个I/O口，独立键盘、液晶显示器可以直接与I/O口相连；它还有60K的存储空间，足够存储程序和字模；它内部还集成看门狗定时器，这些特性，可2以大大简化外围电路。分析以上两种方案的优缺点，方案一成本低，但是调试麻烦，精度不高。方案二在实现设计要求上有着很大的优越性不需要外接D/A转换芯片；不需要复杂的参考电压产生电路；鉴于上述对比，我们最终选择了第二种方案来实现设计的要求。22系统整体方案本文采用MSP430F169单片机和外围电路。该种方案主要对MSP430F169单片机的各个I/O口充分利用使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。P1口是连接键盘控制电压步进，P2口连接显示电路输出显示电压数值。这样总体来说，能对单片机各个接口都利用上，而不在多用其它芯片，从而减小了系统的成本。占用空间小，使用芯片少，低功耗，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大。MSP430F169单片机最小系统按键电路显示电路功率放大电路扩展输出图1系统原理框图系统原理框图如图1所示。系统由按键电路、显示电路、功率放大电路、电MSP430F169单片机最小系统组成。以MSP430F169单片机为核心，辅以键盘控制、显示等电路，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的数控直流电源的设计的设计的设计，实现步进01V，同时还可以扩展波形的功能。3系统硬件电路设计31单片机最小系统311MSP430F169主控芯片MSP430系列是当前最新的一种电擦写16位单片机，采用精简指令集（RISC），寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大3量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度MSP430系列是一种超低功耗的混合信号处理器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。图2MSP430F169引脚图MSP430F169引脚图如图2所示。MSP430F169有多路时钟（片内DCO，32768HZ低频晶体振荡器和8MHZ高频晶体振荡器）,并且内部可作1、2、4，8分频处理,分频后可选作MCLK,ACLK,SMCLK。由此,系统可以工作在多种时钟模式下,降低功耗。系统内部的看门狗定时器,可实现32MS,1S多种定时方式,当不需要定时时,可方便地用作看门狗，简化了电路和程序。P1,P2,每一路有个8I/O端口,均具有中断功能。可以用它们方便地实现各种中断处理。AVCC模拟正电源端AVSS模拟负电源端，内部连接于DVCC。DVCC数字正电源端，提供所有部件电源（由AVCC供电的除外）。DVSS数字地，所有部件的接地端（由AVCC/AVSS供电的除外）。VREFADC12正向参考电压。VEREF外部参考电压输入。MSP430F169DVCP63/A4/P65P6/A/DC07/1VREFXINOUTVEREFREF/FP10/TACLK/0121P3/TA14/SMCLKP54/MCLK3/U1P52/SOI1150/TEP47BCLK6/P4/TB532/P41TB0/37URXD1P6/T350AVCDSP62/A1/P60/RST/NJMICKSTD/L0/IXT2INOUP57/TB6/ACLK5/SMVP15/TA06/1P17/T220/ACLKP1/TIN2/COU/OP3/A0T124/2P5/ROSCP26/ADC12LKP7/TA030/SEP31/SIMO/D2/I0P3/UCLK/SCL4/TXD04VREF/VEREF参考电压负端，内部参考电压,或应用外部参考电压XT2IN晶振XT2输入。XT2OUT晶振XT2输出。RES/NMI复位输入或非屏蔽中断输入端。TCK测试时钟端。TCK是芯片编程和测试的时钟输入端。TDI测试数据输入端。TDI用作数据输入，芯片的保护熔丝与TDI相连。TDO/TDI测试数据输出端，TDO/TDI用作数据输出或编程数据输入端。TMS测试模式选择端。TMS在芯片编程和测试时是输入端。XIN基本振荡器XT1输入端。可以连接标准晶体或晶体振荡器。XOUT晶体振荡器XT1输出端。其他I/O端口如表1所示。表1P1P6端口功能端口功能P1、P2I/O、中断功能、其他片内外设功能P3、P4、P5、P6I/O、其他片内外设功能数字输入输出端口使用特性1）所有端口都可以单独进行编程。2）可以进行输入输出和中断条件的任意组合。3）对具有中断功能的引脚输入沿可进行选择。4）具有第2功能选择，以适合不同I/O口操作。312时钟电路MSP430系列单片机基础时钟主要是由低频晶体振荡器,高频晶体振荡器,数字控制制动器DCO,锁相环FLL及FLL等模块组成由于430系列单片机中的型号不同,而时钟模块也将有所不同,在MSP430F149中是有TX2振荡器的在时钟模块中有3个时钟信号源LFXT1CLK低频/高频时钟源由外接晶体振荡器，而无需外接两个振荡电容器较常使用的晶体振荡器是32768HZ。XT2CLK高频时钟源由外接晶体振荡器，需要外接两个振荡电容器，较常使用的晶体振荡器是8MHZ，如下图3所示。DCOCLK数字可控制的RC振荡器。MSP430单片机时钟模块提供3个时钟信号输出，以供给片内各个电路使用。5ACLK辅助时钟信号ACLK是从LFXT1CLK信号1/2/4/8分频后所得到的由BCSCTL1寄存器设置DIVA相应位来决定分频因子ACLK可用于提供CPU外部功能模块作时钟信号使用。MCLK主时钟信号MCLK是由3个时钟源所提供的，他们分别是LFXT1CLK、XT2CLK、DCO时钟源信号提供。MCLK主要用于MCU和相关系统模块作时钟使用。同样可设置相关寄存器来决定分频因子及相关的位置。SMCLK子系统时钟，SMCLK是由2个时钟源信号所提供，他们分别是XT2CLK和DCO。同样是可设置相关寄存器来决定分频因子及相关的位置。图3时钟电路图4复位电路313复位电路系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位，在各种复杂情况下稳定可靠地工作。复位性能不好会影响系统的正常运行，在MSP430单片机中有一NMI/RST复位管脚，它与不可屏蔽中断功能管脚复用,可由软件选择其功能,正常情况下为复位功能,只要有低电平输入系统就将复位,复位电路正是基于此原理设计,并保证有充分的低电平时间，如上图4所示。314ADC12模数转换模块MSP430F169单片机的ADC12模块是一个12位精度的A/D转换模块,具有高速度,通用性等特点。ADC12的时钟源分为ADC12OSC,ACLK,MCLK,SMCLK。通过编程可以选择其中之一时钟源，同时还可以适当的分频。输入的16路模拟开关分别是由IC外部的8路模拟信号输入和内部的4路参考电源输入级1路内部温度传感器源及AVCCAVSS/2电压源输入。外部8路从A0A7输入，主要是外部测量时的模拟变量信号。内部4路分别是VEREFADC内部参考电源的8MHZC130PF230PFX1X2VCRSTKC310UF210KR106输出正端，VREF/VEREFADC内部参考电源负端（内部/外部）。1路AVCCAVSS/2电压源和1路内部温度传感器源。片内温度传感器可以用于测量芯片上温度，可以在设计时做一些有用的控制，在实际应用时用得较多。而其他电源参考源输入可以用作ADC12的校验只用，在设计时可作自身校准。ADC电压参考源的用于给ADC12内核作为一个基准信号之用的，这是ADC必不可少的一部分。在ADC12模块中基准电压源可以通过软件来设置6种不同的组合。AVCCVR,VREF,VEREF,AVSSVR,VREF/VEREF。通过控制ADC12寄存器（表2）来操作转换过程。表2ADC12模块相关寄存器寄存器寄存器缩写寄存器含义ADC12CTL0转换控制寄存器0转换控制寄存器ADC12CTL1转换控制寄存器1ADC12IFG中断标志寄存器ADC12IE中断使能寄存器中断控制寄存器ADC12IV中断向量寄存器ADC12MCTL0ADC12MCTL15存储控制寄存器015存储及其控制寄存器ADC12MEM0ADC12MEM15存储寄存器015314DAC12数模转换模块MSP430F169单片机的DAC12是12位R阶，并且同时可以工作在8位和12位两种方式或者和DMA控制器一起使用。MSP430F169的DAC12模块包含两个DAC转换通道DAC12_0和DAC12_1。这两个通道在操作上完全平等。DAC模块的主要性能指标（1）分辨率这项指标反映了数字量在最低位上变化1位时输出模拟量的最小变化。一般用相对值来表示。对于8位的DAC模块来说，分辨率为最大输出幅度的039，即1/256。而对于12位DAC模块来说，分辨率可以达到0024，即1/4096。（2）偏移误差它是指输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值。（3）线性度是指DAC模块的实际转移特性与理想直线之间的最大偏差。（4）转换速度即每秒钟可以转换的次数，其倒数为转换时间。（5）参考源电压源是影响模拟量输出的基准值32功率放大电路7321电压放大电路LM358管脚功能如图5所示，它采用8脚双列直插塑料封装，它的内部包含2组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，2组运放器件相互独立。每一组运算放大器可用图中所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“OUT”为输出端。两个信号输入端中，“”为反相输入端，表示运放输出端OUT的信号与该输入端的为相反；“”为同相输入端，表示运放输出端OUT的信号与输入端的相位相同9。图5LM358管脚图由于LM358的双个运放电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。在此设计中采用LM358双运放，分别是第一级放大，第二级电压跟随输出。如下图6所示。图6电压放大电路322互补对称电流放大电路互补”是通过采用两种不同极性的三极管，利用不同极性三极管的输入极性不同，用一个信号来激励两只不同极性的三极管，这样可以不需要有两个大小相等、相位相反的激励信号。电路中，一个是NPN型三极管，另一个是PNP型三极管，两只三极管的基极相连，在两管的基极输入信号作推动信号。电压经过LM358后再经过TIP122和TIP127搭建的推挽放大电路将功率放大。它们的参数表3所示。表3TIP122/TIP127电气参数同相输入端反向输入端LM358OUTAINAIGNDVCVSOUTOUTBINBIBVCVCVSR0R1R2P6/DAC12OUTLM358LM3588达林顿ICVCEOPCTIP1225A100V65WTIP1275A100V65W它们能完全满足输出500MA的设计要求。如下图7。VCVS10K输入输出TIP12TIP127图7互补对称电流放大电路33显示电路本文采用LCD1602，该显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。LCD1602是指显示的内容为162，即能够同时显示两行每行16个字符11。其与微处理器的接口如图8所示。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。只需将其D0D7与MSP430F169的P10P17依次相连接；P34P36依次与控制LCD引脚RS、R/W、E相连接即可。图8LCD显示电路34按键电路电压步进通过按键控制，电路图如下所示，该系统键盘的数目为8个，所以最佳9的接口方案是独立式接法，考虑到节省IO口资源，按键电路采用74LS165移位寄存器，并行输入，互补串行输出。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。按键释放后，在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解是否有按键动作。键盘电路如下图9所示。74LS165D01D23D45D67CLKSH/DINQHSERVCKEY1KEY2KEY3KEY4KEY5KEY6KEY7KEY8P21P2310K10K10K10K10K10KGND图9键盘电路4系统软件的设计及系统测试41主程序本文软件程序采用C语言编程，在一定程度上增强了程序的易理解性。利用IAR软件实现C语言程序的调试以。本系统的软件设计中主要程序结构除了主函数外，分为正弦波发生子函数,锯齿波发生子函数了，方波子函数，波形选择控制键子函数。主程序主要完成初始化、检查有无按键按下、以及调用显示等等。主程序的流程图10所示。42电压步进子程序通过预置初值，单片机进行DA输出相应的图11。，通过判断按键的键值，实现步进01V。1043扩展波形输出子程序通过按键控制单片机内部DAC进行转换，并通过外部功放电路，产生正弦波，锯齿波，方波三种波形，并通过软件控制频率和幅度可调。开始初始化是否步进电压步进子程序扩展波形子程序显示输出结束YN初始化判断键值步进01V步进01V数据处理返回键值1键值2图10主程序流程图图11电压步进子程序流程图431正弦波子程序正弦波产生利用查表法，定义一个数组，对应256个值，然后等间隔循环DA输出，正弦波的频率由采样间隔变化决定的，如图12所示。判断N是否大于256初始化开始间隔N点无限输出正弦波同时N加4将N赋值为0NY判断N是否大于0XFF初始化开始间隔N点无限输出锯齿波同时N加2将N赋值为0NY图12正弦波子程序流程图图13锯齿波发生子程序流程图11432锯齿波子程序锯齿波发生子程序主要是循环输出事先定义的数值形成。定义一系列个锯齿波采样值然后等间隔采样且循环输出。锯齿波频率变化也是变化控制的5。如图13所示。433方波子程序方波发生子程序，通过恒定幅值的高电压，与零电压相互交替输出形成方波。电压的输出时间由延时控制子函数控制。同时其占空比和频率变化也是由延时控制子函数控制的。44系统测试测量仪器数字万用表。用单片机控制电源时，输出直流099V，液晶LCD显示清晰正确，开机预置电压正确，键盘灵活有效，能够单步，能够输出正弦波，锯齿波，方波。测试数据（室温）如表4所示。表4系统测试数据01245678预置电压值/V00010203050607080输出电压值/V00010201301502602703804实测电压值/V00010220103055026037098055小结基于MSP430F169单片机的简易数控直流电源产生的信号基本能够满足一般测量实验中的使用要求。通过编制软件可以实现输出更多的波形，如锯齿波、方波、正弦波等。随着电子设备信号的多样化，系统具有价格低、性能高、操作方便、产品体积小、耗电少等特点，所以在实践中有较好的应用价值。若有实际需要，系统只要在软件上做一定的改变，就可以作为超低频任意信号发生器在相关领域内使用。经过多次调试和修改，在功能上做到了比较完善，基本实现了实验的所有要求。方波的波形也因为低通滤波器的影响出现尖顶脉冲现象，可以通过波形补偿改善，也12可以添加外电路控制使正弦波输出时绕过低通滤波器，不影响其他波形的输出结果。13参考文献1黄小翰基于FPGA的多功能波形发生器的设计J价值工程,20109202杨艳琴,翟骁曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M清华大学出版社,20043蒋媛基于单片机的多波形信号发生器设计J科技信息,201032594李智奇MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计M西安电子科技大学出版社,20085曹磊MSP430单片机C程序设计与实践M北京航空航天大学出版社,20076张晞,王德银,张晨MSP430系列单片机实用C语言程序设计M人民邮电出版社,20057吕连法基于CPLD的高精度信号发生器的设计J黑龙江科技信息,20118208谢嘉奎电子线路非线性部分第四版M高等教育出版社,20089周兴华手把手教你学单片机C语言程序设计M北京北京航空航天大学出版社,200710高士友,胡学深,杜兴莉,刘桥基于FPGA的DDS信号发生器设计J现代电子技术,2009162012赵宏亮一种实用任意波形信号发生器的设计J仪表技术,2008405014DESIGNOFNUMERICALCONTROLDCPOWERSUPPLYDEPARTMENTOFPHYSICSANDELECTRONICINFORMATIONSCIENCEELECTRONICINFORMATIONSCIENCEANDTE