張望先， 姚彤彤， 趙久瑞， 謝德強

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430079)

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基于MSP430單片機的直流電子負載裝置

張望先， 姚彤彤， 趙久瑞， 謝德強

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430079)

介紹了一種基于MOSFET管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，以MSP430F6638和FPGA為控制核心技術(shù)設計的恒流模式的直流電子負載裝置。由24位A/D轉(zhuǎn)換器采集電子負載的端電壓和電流信號，經(jīng)過微控制器處理后，輸出柵極控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和放大處理后驅(qū)動MOSFET柵極調(diào)節(jié)輸出。采用閉環(huán)控制，利用PID算法調(diào)節(jié)，有利于對負載調(diào)節(jié)和精確控制。利用了多任務編程的思想，使得控制器中任務有條不紊地進行。此外，具有過壓保護功能，具有一定的實用性。

直流電子負載； 恒流； MSP430F6638； 多任務編程

0 引 言

負載是指用來吸收電源供應器輸出的電能量的裝置，它將電源供應器的輸出電能吸收并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存或消耗掉。在科學研究和產(chǎn)品研發(fā)中通常模擬負載對設備進行檢測或測試，例如電子儀器的研發(fā)、電子線路實驗以及各類電源的檢測等[1]。傳統(tǒng)的靜態(tài)負載需要根據(jù)試驗條件的變化不斷調(diào)整，且笨重、不便攜帶、測試時消耗能量大[2-5]，電子負載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負載相比具有節(jié)能、體積小、使用方便、靈活、效率高等優(yōu)點[6-8]，在電源、通訊、汽車、蓄電池等領域得到了較好應用[9-12]，成為當前研究熱點。

本文設計了一種直流電子負載裝置，以MSP430F6638和FPGA作為電子負載的控制核心，使用MOSFET管作為功率消耗器件，實現(xiàn)了直流電流輸出和電源負載調(diào)整率自動測量功能。電子負載工作于恒流模式，電流可設定，人機界面良好，測量精度高，可靠性好，且具有過壓保護功能，具有很強的實用價值。

1 系統(tǒng)方案

1.1 總體方案設計

電子負載主要通過控制MOSFET管柵極電壓來實現(xiàn)。系統(tǒng)以MSP430F6638和FPGA為控制核心，采樣電路采集得到的電子負載的端電壓和電流信號，經(jīng)過微控制器處理后，輸出柵極控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換和放大處理后驅(qū)動恒流控制電路中MOSFET的柵極，調(diào)節(jié)輸出以達到恒流的目的。系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，利用PID算法，可精確控制輸出電流，抗干擾能力強。另外系統(tǒng)還具備過壓保護功能，安全性高。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

1.2 功率控制

用增強型NMOS管作為功率器件。MOSFET管工作在可變電阻區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵源電壓控制的可變電阻[13]。MOSFET工作在可變電阻區(qū)時工作速度快，可靠性高，控制靈敏，有自限流作用，熱穩(wěn)定性好，而且無機械觸點和運動部件，噪聲低，壽命長[14-15]。

1.3 恒流控制

系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方法。內(nèi)環(huán)通過恒流控制電路穩(wěn)定輸入到柵極的電壓，具體實現(xiàn)方式為：流經(jīng)電子負載的電流經(jīng)過采樣電阻，產(chǎn)生相應的電壓信號，將電壓信號進行適當放大后反饋到運放輸入端，與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓進行比較，最后穩(wěn)定輸出。外環(huán)利用微處理器改變D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，進行微調(diào)，具體實現(xiàn)方式為：A/D轉(zhuǎn)換器采集電子負載的電壓電流信號送至微處理器進行分析計算，采用PID調(diào)節(jié)方式，通過微處理器輸出驅(qū)動柵極的數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后作為運放的輸入，經(jīng)過恒流控制電路，使輸出電流更加穩(wěn)定。

1.4 過壓保護電路

本系統(tǒng)實時對電子負載的端電流和端電壓進行檢測，當檢測到電壓超過預設電壓值時，MCU切斷控制信號輸出，使電子負載停止工作達到保護系統(tǒng)目的。

2 理論分析與計算

2.1 電壓電流測量及精度分析

電子負載的輸入電壓范圍比較大，超出了A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，故先對其進行分壓，經(jīng)電壓跟隨器后輸入至A/D轉(zhuǎn)換器進行測量。

流經(jīng)電子負載的電流經(jīng)采樣電阻Rs，采樣電阻選用康銅絲，康銅絲阻值小，溫度系數(shù)低，穩(wěn)定性能好，其兩端的電壓經(jīng)過電流分流監(jiān)視器INA129的放大輸入至A/D轉(zhuǎn)換器。

2.2 電源負載調(diào)整率的測試原理

負載調(diào)整率是衡量電源好壞的指標，體現(xiàn)為當負載電流變換時電源的輸出電壓相應的變化情況，通常以輸出電流從0變化到額定最大電流時，輸出電壓的變化量與輸出電壓的百分比值來表示。本系統(tǒng)額定輸出電流為1 A，當被測電源的電壓值設定為某個值時，調(diào)整負載使負載的電流從0變化至1 A，分別記錄相應的電壓值，則負載調(diào)整率為

其中：U1是電流為0時電源的輸出電壓；U2是電流為1 A時電源的電壓。

3 電路設計

系統(tǒng)硬件部分主要由恒流電路和電流、電壓采樣電路構(gòu)成，總體電路原理圖如圖2所示。

3.1 恒流電路設計

恒流電路由U1、U2、U3、Q1、Q2構(gòu)成，其中U1為DAC8560，U2和U3均為OPA227，Q1為三極管，Q2為N溝道MOSFET管。

MCU給定控制信號，經(jīng)U1進行D/A轉(zhuǎn)換后得到模擬信號，由U2放大后輸入U3的同相輸入端IN+，同時采集采樣電阻Rs兩端的電壓，經(jīng)U5放大后輸入至U3的反相輸入端IN-，如果U3的IN-小于IN+，輸出電壓升高，使MOSFET管導通電阻減小，Rs上的電流增大；如果U3的IN-大于IN+，輸出電壓降低，使MOSFET管導通電阻增大，Rs上的電流減小，達到恒流的目的。

電路中電容C的存在，使恒流控制電路中同時具有PI調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，使輸出電流更加精確，穩(wěn)定性更好。電路中三極管Q1構(gòu)成的射極跟隨器使放大器的輸出信號更加穩(wěn)定，有利于對MOSFET管的控制。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

3.2 電流、電壓檢測電路設計

電流、電壓檢測電路由U4、U5、U6構(gòu)成，U4為OPA227，U5為INA129，U6為ADS1256，將采集得到的模擬電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

電流信號經(jīng)U5進行放大，U5增益可調(diào)G=49.4K/Rg，Rg選用千分之一精度電阻，對微小信號進行穩(wěn)定放大，放大后的信號輸入至U6進行電流檢測。被測電源的電壓值其最大允許電壓，因此電壓的測量采用電阻分壓的方法，得到的電壓經(jīng)過U4構(gòu)成的射極跟隨器后送入U6，進行電壓檢測。

4 軟件設計

4.1 程序設計

程序設計部分主要需要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的處理、過壓保護、PID 算法、調(diào)整控制信號、負載調(diào)整率自動檢測、鍵盤控制和輸出顯示等幾個功能。

控制部分以MSP430F6638和FPGA為核心，F(xiàn)PGA負責對A/D轉(zhuǎn)換的控制，由于本系統(tǒng)需要同時對這幾個功能進行處理，故而利用MSP430F6638定時器作為時間輪，模擬多任務調(diào)度器。MSP430F6638根據(jù)所設置的任務優(yōu)先級和阻塞時間周期對任務進行調(diào)度，使得這幾項任務能夠有條不紊得進行工作。程序設計主程序流程圖如圖3所示。

4.2 MSP430仿多任務編程

考慮到系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能較多，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須保證A/D轉(zhuǎn)換器采樣率和PID算法的調(diào)整周期，降低LCD顯示、按鍵掃描等對MSP430資源的占用，因此利用MSP430F6638的定時器模擬了多任務的任務調(diào)度器，有利于對軟件各個功能的修改和調(diào)試，使得軟件的各部分代碼更具可移植性，方便對每個功能的運行周期進行設置，節(jié)省軟件開發(fā)的時間。

多任務的實現(xiàn)只是基于調(diào)度器功能的模擬，任務的非運行態(tài)只有就緒態(tài)一種，使得多任務的控制核簡小輕便，大大降低了MSP430F6638的內(nèi)存占用。

調(diào)制器的工作核心在于CPU選擇下一個運行的任務，調(diào)度器需要在每個時間片的結(jié)束時刻運行自己本身，一個稱為心跳“tick”中斷的周期性中斷用于此目的。時間片的長度通過心跳中斷的頻率進行設定，心跳中斷頻率由MSP430F6638對定時器進行配置。在中斷中判斷下一任務的時間周期和任務優(yōu)先級，選擇下一運行任務。

圖3 程序設計流程圖

4.3 PID控制

系統(tǒng)需要將流過電子負載的電流穩(wěn)定在所設定的值，這就需要對流經(jīng)采樣電阻的電流利用PID控制算法進行數(shù)字閉環(huán)控制。為了保證PID的調(diào)節(jié)質(zhì)量，將PID調(diào)節(jié)周期盡可能的提高，利用ADS1256所采到的電流值與目標值的差的比例、積分、微分三項，反饋到DAC8560的電壓輸出，不斷地對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和補償，最終將電流值穩(wěn)定在目標值。由于硬件系統(tǒng)穩(wěn)定，噪聲控制在10 mV內(nèi)，因而不必過于考慮微分項對噪聲的敏感性，系統(tǒng)的動態(tài)效應和穩(wěn)態(tài)誤差都達到了很好效果。

5 系統(tǒng)測試

在對系統(tǒng)進行測試時，將直流電子負載置于實驗室中在常溫下進行測試，直流穩(wěn)壓電源作為被測電源與電子負載相連，在直流穩(wěn)壓電源與電子負載之間串聯(lián)一個四位半萬用表，通過鍵盤設定不同的電流值，記錄萬用表顯示的實際電流值，觀察并記錄LCD屏上顯示的測量值。記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 恒流模式電流測試

由表1可以看出，實際測得的電流值與設定值幾乎一致，誤差小于0.2 mV，LCD顯示的電流值與實際測得值也幾乎一致，誤差小于0.2 mV，且始終穩(wěn)定在該值上，說明此電子負載精度和穩(wěn)定性都很高。

6 結(jié) 語

本文設計了以MPS430F6638和FPGA為控制核心的簡易直流電子負載，直流電子負載工作于恒流模式。系統(tǒng)由控制器將采集到的電子負載的端電壓和電流進行處理，輸出一個數(shù)字量控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，經(jīng)放大后，驅(qū)動MOSFET管的柵極調(diào)節(jié)輸出。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，利用PID算法進行調(diào)節(jié)，可對電流、電壓進行實時測量，測量精度高，流經(jīng)電子負載的電流穩(wěn)定，具有電源負載調(diào)整率自動測量功能，操作簡便，此外，還具有過壓保護功能，具有很高的實用性。

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The Design of Simple DC Electronic Load Based on MSP430

ZHANGWang-xian,YAOTong-tong,ZHAOJiu-rui,XIEDe-qiang

(Electrical Information School, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

In this paper, the author designed a constant mode current mode DC electronic load which uses MOSFET as power element and uses MSP430F6638 and FPGA as the control core based on the output characteristic and transfer properties of MOSFET. In order to drive MOSFET and adjust the output, the terminal voltage and current signal of DC electronic load are acquired by 24-bit A/D converter, and processed by the micro-controller, then output the grid control signal amplified, conversed and processed by D/A converter. The closed-loop control and PID algorithm is easy to make the control and adjustment of DC load. The method of multi-task programming is used to make the controller process orderly. Furthermore, the system has the function of over-voltage protection, and is with a certain practicality.

DC electronic load; constant current; MSP430F6638; multi-task programming

2015-04-10

武漢大學教改項目(610400011)

張望先(1967-)，女，湖北漢川人，碩士，高級實驗師，主要從事測試計量技術(shù)與儀器研究工作。

Tel.:13971417656，027-68778474; E-mail:zwx@whu.edu.cn

TM 932

A

1006-7167(2015)08-0077-04