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江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽（TI杯） 設(shè)計報告 參賽學(xué)校： 參賽隊員： 指導(dǎo)老師： 簡易直流電子負(fù)載 摘要 本系統(tǒng)使用TI公司的通用運算放大器實現(xiàn)底層控制，以MSP430F169單片機(jī)為系統(tǒng)級控制核心，實現(xiàn)了實現(xiàn)了恒流負(fù)載模式、過壓保護(hù)、鍵盤輸入、數(shù)字顯示的功能。設(shè)計采用了模擬與數(shù)字混合的方案，單片機(jī)利用12位DAC作為模擬控制器的可靠給定，模擬PI調(diào)節(jié)器有效減少靜態(tài)誤差、響應(yīng)時間與超調(diào)。在系統(tǒng)設(shè)計上遵循準(zhǔn)確、可靠、低成本的設(shè)計準(zhǔn)則。經(jīng)測試，該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了題目所要求的基本和發(fā)揮功能。 關(guān)鍵詞 MSP430S169，PI 控制，恒流模式，過壓保護(hù)。 Abstract In this design, general purpose op-amp from TI is used for local control while controller MSP430F169 is used as the system controller. The designed system can work under constant current sink mode with over-voltage protection, interface function is also provided for keyboard input and full digital display. With the proposed analog-digital hybrid control concept, the analog controller follows the reliable control demand issued by the high precision 12-bit DAC from the MSP430 controller, and zero steady-state error, controlled response time and over-shoot is achieved. The entire design follows three guide lines, high precision, high reliability and low cost. The experimental tests indicate that the objectives of proposal are achieved properly. Keywords MSP430F169，PI control, constant current mode, over-voltage protection. 一、 方案的選擇與論證 1.1 系統(tǒng)總體方案論證 電子負(fù)載可分為能耗式與回饋式，本要求中的設(shè)計對象為小功率電子負(fù)載，故采用能耗是。一般市場上精度不高的電子負(fù)載多用開關(guān)式，而高速高精度電子負(fù)載多用模擬方案。根據(jù)設(shè)計要求，擬定了6個方案，分別如圖1-1至圖1-6所示，提出的方案均具有短路保護(hù)功能。圖1-1與1-2中采用不用形式的buck電路，這種電路的缺點是輸入電流不連續(xù)，需要加大電容濾波，系統(tǒng)可靠性較低，且會改變被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（輸出端并聯(lián)了電容）。圖1-3是buck-boost型，輸入電流也不連續(xù)，同樣需要加輸入濾波電容。圖1-4與1-5為電流源型變換器，但是系統(tǒng)造價過高，且輸入電流紋波同樣取決于開關(guān)頻率與電感值。圖1-6中為線性MOSFET方案，控制MOSFET門極電壓，保持MOSFET工作在飽和區(qū)，控制MOSFET內(nèi)部電流。 圖1-1 方案一：Buck變換器A 圖1-2 方案二：Buck變換器B 圖1-3 方案三：Buck-Boost變換器 圖1-4 方案四：Cuk變換器 圖1-5方案五：SEPIC變換器 圖1-6 方案六：線性MOSFET負(fù)載 方案1-6可以使用模擬技術(shù)實現(xiàn)，以LM324放大器，電流控制模塊將采集的電流輸入控制器，控制器根據(jù)參考值將誤差放大生成MOSFET的門極電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1-7所示，本地控制由模擬器件完成，系統(tǒng)級的參考值給定由MSP430的DAC完成，同時MSP430也實現(xiàn)人機(jī)接口的功能。 表1-1分析了各種方案的優(yōu)缺點，可以看出，線性MOSFET作為負(fù)載的情況是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。 圖 1-7基于線性MOSFET的模數(shù)混合方案 表1-1各種方案比較 性能 拓?fù)? 輸入電流紋波 EMI 主要器件數(shù)量 可靠性 成本 Buck (A) 取決于電感電容 大 4個以上 一般 一般 Buck (B) 取決于電感電容 大 4個以上 一般 一般 Buck-Boost 取決于電容 大 4個以上 一般 一般 Cuk 取決于電感 大 4個以上 一般 高 SEPIC 取決于電感 大 4個以上 一般 高 線性MOS 很小 小 1個 高 低 1.2 本方案模塊設(shè)計論證 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為功率級模塊、本地控制器模塊、系統(tǒng)控制器模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、輔助電源模塊。為實現(xiàn)各模塊的功能與配合，先對各部分進(jìn)行論證。 [1]. 電源模塊 本系統(tǒng)需要采用15V為運算放大器供電，5V電壓作為控制器中的參考電壓、MSP430最小系統(tǒng)板的供電電壓以及LCD屏的供電電壓、3.3V為MSP430供電。 由于在競賽要求中未提出對輔助電源的要求，故采用18-24V的直流電壓對系統(tǒng)的輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行供電?？紤]到噪音的影響，采用線性調(diào)壓芯片獲得各電壓等級。 [2]. 鍵盤模塊 鍵盤模塊的方案采用智能便攜設(shè)備中的功能鍵的思路，采用最少按鍵實現(xiàn)；分別為“參考值上調(diào)”、“參考值下調(diào)”、“ON/OFF”鍵。 [3]. 顯示模塊 使用液晶顯示屏顯示負(fù)載電流和電壓，LCD具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。另外系統(tǒng)中加入了LED顯示，分別表示MSP430 5V供電電壓正常（藍(lán)光）、3.3V供電電壓正常（藍(lán)光）、系統(tǒng)正常啟動（藍(lán)光）、過壓顯示（藍(lán)光）。 [4]. 本地控制器模塊 芯片選擇依據(jù)：TI公司生產(chǎn)的通用芯片。 根據(jù)第1節(jié)中的論證，本設(shè)計采用了線性功率MOSFET，所以模擬方式是較好的實現(xiàn)方案，因為PWM模塊會導(dǎo)致系統(tǒng)電流紋波加大且引入噪音。所以本設(shè)計選取了TI的通用放大器系列的產(chǎn)品LM324，四運放的集成放大器。單片LM324模塊會完成電流放大、穩(wěn)壓、PI|調(diào)節(jié)的功能，為最經(jīng)濟(jì)實惠的方案。 [5]. 系統(tǒng)控制模塊 TI推薦的MSP430是系統(tǒng)默認(rèn)選項，由于在本設(shè)計中單片機(jī)不參與高速的控制回路運算，所以8M主頻的MSP430F169完全滿足要求。MSP430的數(shù)字I/O高達(dá)48個，同時擁有豐富的外設(shè)，適合與多種設(shè)備進(jìn)行接口，也便于本設(shè)計的進(jìn)一步擴(kuò)展。 [6]. 功率級模塊 采用絕緣柵型場效應(yīng)管構(gòu)成的電子負(fù)載，控制靈敏度高、工作速度快，既無機(jī)械接觸點，也無運動部件，適合模擬速度較快，電流稍小的實際負(fù)載。 二、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) [1]. 電源模塊實現(xiàn) 采用外接18-24V輔助電源，經(jīng)7815，7805，AMS1117/3.3芯片得到5V電壓。部分原理圖如圖2-1所示。 圖2-1部分電源模塊原理圖 [2]. 鍵盤模塊 鍵盤模塊的方案采用智能便攜設(shè)備中的功能鍵的思路，采用最少按鍵實現(xiàn)；分別為“參考值上調(diào)”、“參考值下調(diào)”、“ON/OFF”鍵。硬件設(shè)計如如2-2所示。 圖2-2 鍵盤模塊設(shè)計原理圖 [3]. 顯示模塊 顯示模塊采用GZL12864的LCD屏，根據(jù)廠家推薦設(shè)計外圍電路，使用了MSP430的P1口進(jìn)行并口數(shù)據(jù)傳輸。 [4]. 本地控制器模塊硬件設(shè)計 本地控制目標(biāo)為帶過壓保護(hù)的恒流，先對恒流模式進(jìn)行設(shè)計，如圖2-3所示，負(fù)載電流經(jīng)過采樣電阻，被一級正比例環(huán)節(jié)放大、濾波，與給定參考值進(jìn)行比較后一個三極點-二零點的PI調(diào)節(jié)器，輸出一個穩(wěn)態(tài)值作為MOSFET的門控電壓，從而得到穩(wěn)定的反饋電流。本功能使用了單片LM324。 圖2-3 電流控制模塊原理圖 要求系統(tǒng)靜差為零的情況下引入負(fù)反饋，需要對其進(jìn)行控制系統(tǒng)分析。根據(jù)MOSFET的輸入特性曲線和器件參數(shù)，可以得到恒流控制下的MOSFET模型為一個比例環(huán)節(jié)與R-C濾波環(huán)節(jié)的級聯(lián)波形，為一階系統(tǒng)。電流反饋回路可以由H(s)建模，可以從圖中得到 而PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： 利用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，波特圖如圖所示 圖2-4系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖 由波特圖可知，系統(tǒng)幅值裕量為-30dB，相位裕量約為-90，直流增益很大，而相比未經(jīng)補(bǔ)償之前的系統(tǒng)，其靜態(tài)增益很小，且響應(yīng)速度相對較低。經(jīng)過控制系統(tǒng)設(shè)計，不但使得靜態(tài)放大倍數(shù)增大，靜態(tài)誤差減小，而且提高了系統(tǒng)的快速性。 電壓控制模塊為了保護(hù)系統(tǒng)，故對其控制系統(tǒng)的要求不高，系統(tǒng)采用了單極點單零點的PI調(diào)節(jié)器，如圖2-5所示。采樣電壓經(jīng)過跟隨器、PI調(diào)節(jié)器輸出作為MOSFET管的門極輸入，當(dāng)采樣電壓大于規(guī)定值時，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，輸出使得MOSFET關(guān)斷，從而實現(xiàn)過壓保護(hù)。 圖2-5電壓控制模塊原理圖 兩個控制回路的整合如圖2-6所示，根據(jù)誰低誰輸出的原則，可以限制恒壓的上限為18V，18V一下為任意恒流控制。 圖 2-6 帶有過壓保護(hù)的恒流模式選擇電路 [5]. 功率級模塊 功率模塊采用IXYS的IXTA-TP80N10T（100V80A）該器件完全可以工作于最大18V1A的情況下。 圖2-7 直流電子負(fù)載模塊原理圖 三、 系統(tǒng)程序設(shè)計 對于本系統(tǒng)，軟件設(shè)計是系統(tǒng)控制的核心，是實現(xiàn)接口功能的關(guān)鍵。 3.1 主系統(tǒng)流程圖及主函數(shù) 圖 3-1 主程序流程圖 圖 3-2 主程序源代碼 3.2 模擬開發(fā)軟件 使用的開發(fā)軟件是IAR仿真軟件，他是一種用于卡發(fā)不同應(yīng)用不同的目標(biāo)處理器的靈活的集成環(huán)境，提供一個方便的窗口界面用于迅速的卡發(fā)調(diào)試，可以使用C、C++\匯編等多種語言開發(fā)。 3.3 編程注意事項 在軟件編程時的應(yīng)注意的幾點事項： （1）所有功能模塊都封裝分子函數(shù)，方便于在其他函數(shù)和主函數(shù)中調(diào)用，簡化主函數(shù)并使其看起來比較清晰，也可以封裝成庫函數(shù)。 （2）盡量定義全局變量，方便在IAR中調(diào)試時觀察變量中的值。 四、 作品性能測試與分析 4.1 所用儀器和測量工具 測試主要用到Y(jié)B1732A-3A直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字型萬用表、TPS2024數(shù)字型示波器。樣機(jī)如圖4-1所示。 圖 4-1 簡易電子負(fù)載樣機(jī) 4.2 調(diào)試方法和過程 測試方法：給各模塊通電，將數(shù)字式萬用表接入主電路，通過按鍵調(diào)節(jié)參考電流的大小，記錄相應(yīng)的輸出電流值。將測量值與參考值進(jìn)行比較，得到的誤差數(shù)據(jù)如圖4-2至4-6所示： 圖4-2 輸入電壓10V時全范圍電流測試誤差圖 圖4-3 輸入電壓9V時全范圍電流測試誤差圖 圖4-4 輸入電壓5V時全范圍電流測試誤差圖 表4.2.4 Vin=1V 圖4-5 輸入電壓1V時全范圍電流測試誤差圖 圖4-6 輸入電壓0.5V時全范圍電流測試誤差圖 4.3誤差分析 （1）電阻阻值受溫度影響 （2）由于采用的通用運放，且沒有做分段處理，電流測量不夠精準(zhǔn) 4.4總結(jié) 單片MSP430為核心進(jìn)行整體控制，實現(xiàn)了電子負(fù)載的電流和電壓調(diào)整，保證相應(yīng)情況下電流和電壓的穩(wěn)定，很好地實現(xiàn)了參數(shù)調(diào)整和顯示，完成了所有的基本要求和部分?jǐn)U展要求。設(shè)計過程中遇到許多問題，如LCD無法正確顯示，運放不能正常工作等，最終在不斷地調(diào)試過程中得以解決。在很多地方，系統(tǒng)仍需要改進(jìn)。 五、 參考文獻(xiàn) [1] 童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社，2006 [2] 胡壽松 自動控制原理. 科學(xué)出版社，2007 [3] 秦龍 MSP430單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講. 電子工業(yè)出版社，2006 [4] MSP430x1xx Family User’s Guide, Texas Instrument. 2006 [5]LM124/LM224/LM324/LM2902 Low Power Quad Operational Amplifier, 2010 六、 附錄 表6-1核心器件 器件 數(shù)量 廠家 MSP430F169 1 Texas Instrument LM324 2 Texas Instrument