基于MSP430的开关电源抗干扰设计
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摘要：在电力系统中，随着高频开关电源结构的日趋复杂,促使技术人员开发新的控制手段来迅速反映模块变化,以大幅度提高开关电源模块稳定运行水平.在整个控制系统中,要求处理采样数据及采用的算法也越来越多.本文介绍在电力系统电磁干扰强度高的环境中MSP430单片机如何稳定控制开关电源的运行。
关键词: MSP430F155 开关电源 控制
MSP430系列单片机是美国德州仪器推向市场，属于16位超低功耗的混合信号处理器.该单片机将大量的外围模块整合到片内,采用存储器-存储器结构,即用一个公共空间对全部功能模块进行寻址,同时用16位精算指令组(RISC)对全部功能模块进行操作,其RAM单元也可实现运算.在MSP430系列单片机中,系统各个功能模块完全是独立运行的。本系统采用MSP430F155型号单片机。
一、系统逻辑电平转换电路
目前，很多设计中3V(含3.3V)逻辑系统和5V逻辑系统共存。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和电路器件。在等待或掉电方式时，3V电源降落到0V，大电流将流通到地，这使总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。另外，用5V器件来驱动3V器件有很多不同情况，同样TTL和CMOS间的转换电平也存在不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并要有足够的容限保证不损坏电路元件。
MSP430是典型的低工作电压芯片（工作电压1.8-3.6），通讯芯片ADM2483采用的5V供电。因此选用双电源的电平移位器74LVC07作为逻辑电平接口芯片。74LVC07的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。因此，该器件作为混合逻辑电平电路中的接口芯片是很理想的。
二、系统软件设计
本系统的软件设计使用C语言。并采用模块化结构设计，将各功能模块设计为独立的编程调试程序块，这样不仅有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。系统程序由数据采集模块、参数计算模块、中断报警模块、内部存储模块、通讯中断模块、控制模块等几个组成部分。
下面分别介绍各主要模块设计：
1、 数据采集模块设计
MSP430F155内部集成的12位精度的A/D转换模块内置参考电平发生器和采样保持电路，最大采样速率达200Ksps，转换时间短，能适应输入信号的变化，且具有很强的抗干扰能力，能够满足系统的需要。控制器对二个信号进行采样，对应A/D转换通道的3, 4通道，分别为:模块的输出电压和输出电流。
为了确保采样点在同一个采样周期内，软件采用定时中断采样法。定时中断时间t=T/N，其中t为定时中断时间，N为采样的点数，采样点数的选择还要考虑测量数据的精度和运算速度的因素。以满足MSP430F155运行的需要。
2、 参数计算模块设计
控制器在现场运行中，总是存在着各种各样的现场干扰，为了保证控制器可靠的进行控制操作，必须尽可能大的抑制各种干扰和测量所引入的随机误差。为此，本系统除了在硬件上采用滤波技术之外，软件设计中，采样的电压、电流均采用了算术平均滤波法。算术平均滤波法对连续N次采样值进行算术平均，其数学表达式为Y 其中Y为平均值，Y为第i次采样值。算术平均滤波法对信号的平滑程度完全取决于N. N越大，平滑度越高，灵敏度越低。反之，平滑度低，灵敏度高。
由于本系统的实时性要求不是很高，而可靠性要求较高，因而滤波算法选取主要考虑计算的稳定。为了提高系统的计算速度，所有的计算均是边采样边计算。
3、 通讯模块设计
要保证通讯成功，单片机必须可以识别外部传来的附加在命令之上的数据，必须能够识别无效指令通信，单片机应能处理一些通信错误，并对错误做出相应的处理;不管收到任何传送给本机的命令，本机都应做出相应的响应。通信协议包含下面几个部分的内容:命令部分、数据部分、编号部分、误检测部分和起始字、结束字。
4、 FLASH型信息存储器读写程序设计
在恶劣的工作环境中，测控系统常常受到各种干扰。干扰的主要影响之一是破坏了系统正常工作所需的各种可编程常数以及测控得到的测量数据，从而使得整个系统的可靠性大为降低。因此，保护这些要求非易失性存储的关键数据不被破坏、确保数据的安全性对于测控系统来说是至关重要的。
本系统中，一些参数要由用户来设定，在系统断电以后，要求这些参数不会丢失。MSP430F155芯片集成有256字节的FLASH信息存储器，而且在编程时可以通过修改配置文件来将属于程序存储空间的地址划分为信息存储空间以适应所需保存的数据量的要求，因此，从数据的可靠性以及保存的数据量、擦写次数和硬件成本等因素考虑，本系统利用MSP430F155芯片片内集成的FLASH信息存储器来记录系统参数。
三、 软件抗干扰设计
1、 开关量输入输出的抗干扰措施
干扰信号一般都是很窄的脉冲，而开关量信号持续有效的时间较长。根据这一特点，可以对同一开关量信号连续多次采集或间隔一个很短的时间多次采集。间隔的时间可以根据有用信号的宽度和要求相应的速度来确定，连续两次或两次以上采集的结果完全相同才一认为有效。
在系统中，常常会用开关量输出电路IGBT等执行机构。这些执行机构动作时，往往产生干扰信号，有时这些干扰信号会通过公用线路反馈到输出接口，可能改变输出寄存器的内容，造成误动作。最有效的软件解决办法就是重复输出相同的数据给外部负载。如有可能，重复周期尽可能地短，使外部设备收到干扰信号还来不及作出反应，正确的输出信息又送到了，这样就可以防止误动作。
2、 模拟量输入输出的抗干扰措施
干扰信号作用到模拟量输入通道上，使A/D转换结果偏离真实值口对于微弱的模拟量信号，问题更为严重。如果仅仅采样一次，无法确定结果是否可信，必须多次采样，对采样序列值经过比较和处理后，才能得到一个较为可信的转换值。在本系统中，A/D滤波采用中值滤波法、算术平均值滤波等，以减少系统的随机干扰对采样结果的影响。
3、程序执行过程中的抗干扰素措施
如果干扰信号通过某种途径作用到CPU上，则CPU就不能按正常执行状态执行程序而引起混乱，即程序“跑飞”。程序“跑飞”后往往将一些操作数当作操作码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用“指令冗余”，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令。当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误，即该条指令不会被前面冲下来的失控程序拆散，而会得到完整的执行，从而使程序重新纳入正常轨道。如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时只有采用复位的方法强迫程序从头开始重新运行来使系统恢复正常。最常用的一种自动复位方法就是采用“看门狗”。
结束语，
综上所述， MSP430单片机通过软件和硬件的设计，充分地在它的抗干扰性、运算速度快等性能。在电力系统操作电源中可以安全、稳定的运行。达到了预期的设计要求，并且已经在正式的产品中开始应用。
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