【文章內(nèi)容簡介】 3。 25 附 錄 26 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計說明書 1 第一章 數(shù)控直流電流源設(shè)計目的 通過 數(shù)控直流電流源的設(shè)計， 掌握基于 MSP430F169單片機和 SG3525芯片實現(xiàn)直流電流源控制的電路設(shè)計和軟件編程方法；掌握 MSP430單片機內(nèi)部定時器模塊、 A/D 模塊、 D/A模塊的編程方法；掌握利用 IAR進行程序編輯，程序調(diào)試及程序下載的方法。 熟悉 Altium Designer軟件繪制電路原理圖的基本方法和技巧；掌握硬件電路的焊接和調(diào)試方法。最重要的是從設(shè)計這個過程中學(xué)習(xí)怎么與隊員之間合作，學(xué)習(xí)設(shè)計的基本思路與過程。融 會貫通自己所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識。提高自己將理論知識轉(zhuǎn)化為實際作品的的動手能力。 數(shù)控直流電流源設(shè)計 2 第二章 數(shù)控直流電流源方案選擇 總體方案選擇 方案一：根據(jù)傳統(tǒng)線性恒流源的原理，以集成穩(wěn)壓芯片（如 LM337）與數(shù)字電位器構(gòu)成電流源的主體部分，通過單片機改變數(shù)字電位器的阻值，以實現(xiàn)對恒流源輸出值的調(diào)整，并使用數(shù)碼管LED顯示其數(shù)值，其原理方框圖如圖 21所示。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但由于目前數(shù)字電位器分度有限，市場上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的 MAX5484，難以實現(xiàn)發(fā)揮部分的功能。此外，由于流 過的電流較大，需要并串多個數(shù)字電位器才能滿足輸出的電流要求，且系統(tǒng)為開環(huán)控制，穩(wěn)定性差，精度較低。 圖 21 方案一原理方框圖 方案二：根據(jù)開關(guān)電源的原理，經(jīng) AC/DC/DC 變換過程來實現(xiàn)可調(diào)穩(wěn)流的功能，主電路由整流濾波電路、斬波電路和恒流電路構(gòu)成。其工作過程如下：市電經(jīng)隔離變壓器降壓后，通過整流橋整流，電容器濾波，變成平穩(wěn)的直流電，完成 AC/DC 的變換過程；通過由 FPGA（可編程邏輯器件）產(chǎn)生 PWM調(diào)制波控制開關(guān)管的通斷構(gòu)成斬波電路，輸出高頻的直 流脈沖，經(jīng)儲能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調(diào)的直流電；使用 HCPL7870光電隔離 A/D轉(zhuǎn)換芯片（轉(zhuǎn)換精度達 15）對輸出電流進行采集，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成原理方框圖圖 22 所示，由于 FPGA 的系統(tǒng)時鐘頻率高（一般使用 50MHz），且以并行處理數(shù)據(jù)，所以該方案可靠性高，編程容易。但經(jīng)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，該方案有如下幾個缺點：系統(tǒng)成本較高；由于使用的是離散數(shù)字 PWM 調(diào)制方式，當(dāng) FPGA 芯片使用 50MHz的系統(tǒng)時鐘時，若 PWM得占空比要實現(xiàn) 2021個分度，則 PWM 的最高頻率只能達到 25KHZ，根據(jù)輸出電流 的紋波與輸出的頻率成反比的規(guī)律，在 25KHZ 頻帶范圍內(nèi)，輸出電流紋波較大，給后級的穩(wěn)流濾波電路電路帶來困難，影響輸出的電流指標(biāo)，難以達到發(fā)揮部分的要求：采用的是離散的數(shù)字信號反饋控制，對數(shù)字信號的量化精度要求較高。 負(fù)載電阻 18V 恒流輸出 單片機 LM337 MAX5484 鍵盤 顯示 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計說明書 3 圖 22 方案二原理方框圖 方案三：按照方案二 AC/DC/DC 的設(shè)計思路，再在斬波電路的前級增加一級穩(wěn)壓電路，使用集成穩(wěn)壓器來降低電網(wǎng)波動對斬波電路的影響?？刂撇糠诌x用單片機與專用的 PWM調(diào)制芯片相結(jié)合的方式來控制 MOSFET 開關(guān)管的導(dǎo)通。 其輸出電流的大小通過隔離型電流傳感器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號，并將這一模擬量分為兩路：一路直接反饋到 PWM集成芯片的反饋輸入端，構(gòu)成連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；另一路經(jīng)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片變成數(shù)字信號傳送給單片機處理，作為輔助的調(diào)節(jié)反饋量，使用軟件算法來修正給定量，減小穩(wěn)態(tài)誤差，其組成原理框圖如圖 23所示。 圖 23 方案三原理方框圖 方案三與前面的方案相比，具有以下特點：系統(tǒng)為雙環(huán)控制系統(tǒng)，動態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差小；成本較低，技術(shù)成熟；軟硬件相結(jié)合，可靠性高 ，功能全，擴展余地達，理論上可達到設(shè)計題目的所有性能指標(biāo)，該系統(tǒng)設(shè)計確定使用方案三。 器件的選擇 方案一：采用目前比較通用的 51 系列單片機。此單片機的運算能力強 ,軟件編程靈活 ,自由度大。雖然該系統(tǒng)采用單片機為核心 ,能夠?qū)崿F(xiàn)對外圍電路的智能控制 ,但核心控制部件使用 89C51時 ,為達到設(shè)計精度的要求 ,外圍電路必須加上 12 位的 A/D 和 D/A,這就使得整個系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜 ,而且 12 位的 A/D和 D/A器件價格較高 ,使得系統(tǒng)的性價比偏低。 負(fù)載電阻 AC/DC 開關(guān)管 顯示 鍵盤 恒流輸出 電流檢測 報警信息 單片機 PWM芯片 給定值 反饋量 反饋量 給定值 數(shù)模轉(zhuǎn)換 穩(wěn)壓管 模數(shù)轉(zhuǎn)換 負(fù)載電阻 AC/DC 開關(guān)管 HCPL7870 FPGA 顯示 鍵盤 PWM 調(diào)制波 PWM調(diào)制波 恒流輸出 光電耦合 A/D芯片 L ~220V 數(shù)控直流電流源設(shè)計 4 方案二：采用 MSP430F169 單片機。 此單 片機功能較強 ， 性價比高 、 集成度高、易擴展、可靠性高、功耗小及具有較高的數(shù)據(jù)處理和運算能力 。 由于 MSP430F169單片機 內(nèi)部集成了 A/D轉(zhuǎn)換器 ,不需外加 A/D。 通過采樣取樣 ,結(jié)合內(nèi)部 A/D 構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)整控制。種方案既能實現(xiàn)智能化的特點 ,簡化硬件電路 ,提高測量精度 ,同時也能利用軟件對測量誤差進行補償 ,這給調(diào)試、維護和功能的擴展、性能的提高 ,帶來了極大的方便。 鑒于上面考慮 ,我們采用方案二。 顯示器選擇 方案一：采用 LED顯示，把測量所得到的高度通過數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管亮度高，體積小，重量輕 。但是動態(tài)顯示要求單片機定時地對顯示器件掃描，如不調(diào)用顯示程序，就會立即停止顯示，而且顯示信息簡單、有限，在本題目中應(yīng)用受到很大的限制。 方案二：采用 12864LCM 點陣顯示器，點陣顯示界面友好，顯示信息量豐富，接口電路簡單，可以和單片機直接相連。但成本相對較高。 方案三： 采用 1602 字符液晶顯示器， 能夠同時顯示 16 02 即 32個字符。 1602 液晶驅(qū)動簡單，性價比相對較高。 考慮到本題顯示信息比較簡單，只需要顯示給定輸出電流和實際輸出電流，我們決定選擇 1602字符液晶顯示器作為本系統(tǒng)的顯示 模塊。 鍵盤模塊選擇 方案一： 采用普通四位按鍵模式，通過點陣顯示器索顯示的信息對系統(tǒng)進行控制，方便快捷，易于實現(xiàn)。 方案二：采用 4 4 矩陣鍵盤，其優(yōu)點是按鍵數(shù)目較多，方便數(shù)據(jù)輸入，但需要單片機對其進行動態(tài)掃描，耗電量較高，編程較難。 考慮到本系統(tǒng)的輸入信息較少，我們選擇普通四位鍵盤作為本體統(tǒng)的鍵盤模塊。 根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，對比 MOSFET 與 IGBT 兩種開關(guān)管，其性能參數(shù)的對比如表 21 所示。 表 21 MOSFET 與 IGBT 性能參數(shù)的對比 性能指標(biāo) MOSFET IGBT 驅(qū)動類型 電壓型 電壓型 驅(qū)動功率 小 較小 開關(guān)速度 快（能達到 5MHz） 較快（一般在 100kHz 以下） 能通過電流 較大（一般在 100A以下） 大（能達到 1000A以上） 通態(tài)壓降 小于或等于 2V 一般大于 2V 由于設(shè)計要求輸出的功率不大，主要指標(biāo)體現(xiàn)在輸出電流的分辨率、測量值的誤差、紋波、穩(wěn)定度等方面。為了獲得很好的濾波效果，希望其斬波的頻率越高越好（至少在 100kHz 以上）。對信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計說明書 5 照表 21分析，由于 MOSFET管的開關(guān)速度快，可作為選擇開關(guān)管的對象，經(jīng)查閱 P溝道的 MOSFET IRF9540 的技術(shù)資料，能滿足設(shè)計要求。 PWM 芯片選擇 PWM芯片根據(jù)其控制形式可分為電壓模式控制和電流模式控制兩種。其功能和驅(qū)動能力也隨型號不同有所區(qū)別。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，對比 TL49 UC3573和 SG3525三款芯片如下： TL494內(nèi)有兩個誤差信號比較器，能同時實現(xiàn)電壓模式控制和電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)揮這一優(yōu)勢，且沒有外部強制封鎖端，不便于實現(xiàn)過壓過流保護。 UC3575 屬于 DIP封裝，其 PWM占空比可從 0%~100%之間調(diào)節(jié)，能直接驅(qū)動 P溝道的 MOSFET開關(guān)管，但在功能上不能直接實現(xiàn)誤差放大和控制，難以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。 SG3525具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級，據(jù)有欠壓保護和外部封存功能，能方便的實現(xiàn)過壓過流保護，能輸出兩路波形一致、相位相差 180176。的 PWM 信號，結(jié)合雙 MOSFET 管斬波電路的獨特設(shè)計，能有效的減少輸出電流的紋波。 基于以上分析，選擇 SG3525 作為斬波電路的 PWM調(diào)制芯片比較理想。 SG3525主要技術(shù)指標(biāo)如圖 22所列。 表 22 SG3525 主要技術(shù)指標(biāo) 參數(shù)名稱 數(shù)值 最大電源電壓 40V 啟動電壓 8V 最高工作頻率 500kHz 誤差放大器開環(huán)增益 75dB 放大器輸入失調(diào)電壓 2mV 封鎖閾值電壓 待機電流 14mA 基準(zhǔn)源溫度穩(wěn)定性 ℃ 誤差放大器增益帶寬 2MHz 驅(qū)動輸出峰值電流 500mA 檢測方案選擇 方案一：直接對負(fù)載進行采樣 直接對負(fù)載進行采樣簡單易行。但由于負(fù)載電阻為可調(diào)節(jié)電阻，輸出可能有電流可能會受接觸電阻的變化而不穩(wěn)定，故不宜選取。 方案二：對采樣電阻進行采樣 采樣電阻采用標(biāo)準(zhǔn)精密電阻，阻值穩(wěn)定，將阻值的變化 對電流的影響降低到最小程度。另外，對采樣電阻進行采樣，有效避免了外接測量電路對電流的影響。因此采用方案二。 數(shù)控直流電流源設(shè)計 6 信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計說明書 7 第三章 數(shù)控直流電流源系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示： 此次設(shè)計的主要任務(wù)是保證輸出電流的恒定，所以當(dāng)負(fù)載及其他參數(shù)發(fā)生變化時，我們可以在硬件及軟件兩方面采取適當(dāng)?shù)拇胧┦馆敵鲭娏鞅３植蛔?。軟件上，利用單片機內(nèi)部 A/D模塊讀取電流源發(fā)出的電流值，并控制調(diào)整給定值，已達到準(zhǔn)確、穩(wěn)定值直流輸出；硬件上，利用反饋電路將輸出電流反饋進單片機使之與設(shè)定電流值進行比較， 從而調(diào)節(jié)占空比使電流穩(wěn)定在設(shè)定值。圖 32所示為 數(shù)控恒流源的閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖 32 數(shù)控恒流源的閉環(huán)控制系統(tǒng) 以 MSP430F169單片機作為系統(tǒng)控制單元，外配 4MHz主晶振和 32768Hz的輔助晶振、復(fù)位電路、按鍵電路、 1602 顯示器構(gòu)成單片機小系統(tǒng)，如圖 33 所示；單片機通過按鍵讀取用戶的設(shè)置輸出電流值，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)出給定值，電流檢測電路通過 D/A 轉(zhuǎn)換把輸出值傳回單片機，單片機通過比較微調(diào)輸出值。 數(shù)控直流電流源設(shè)計 8 DVcc123456VREF+7XIN8XOUT/TCLK9VeREF+10VREF/VeREF1112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57RST/NMI58596061AVss62DVss63AVcc64MSP430F169123456789101112131415161602VSSVDDVLDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BLABLKR/WERSVCC100K1000pFVCC0(5V)S1100KVCCVCC1uF1K復(fù)位VCCSW1 SW2 SW3 SW410K 10K 10K 10K(22) (21) (23) (25)SW510K(27)2 3 4 5 6VCC 圖 33單片機小系統(tǒng) MSP430 系列單片機 MSP430 系列單片機的特點 MSP430 系列單片機是美國德州儀器公司于上世紀(jì)九十年代開發(fā)出的產(chǎn)品，已在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 MSP430 系列單片機具有超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點。 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計說明書 9 指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運 算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 MSP430F169 引腳功能 1． PIO 端口是并行輸入輸出端口， 8位。 MSP430單片機 PIO端口特點： （ 1）引腳豐富： P1， P2， P3， P4， P5， P6。 （ 2）功能豐富： I/O，中斷能力，其它片內(nèi)外設(shè)功能。 （ 3）寄存器豐富： P1 與 P2各有 7 個寄存器， P P P P6 有四個寄存器。 2．具有中斷功能的數(shù)據(jù)輸入、 輸出端口 P1 和 P2各寄存器符號和功能如下所述（以 P1 口為例）： （ 1） P1IN： 輸入寄存器 。 （ 2） P1OUT：輸出寄存器。 （ 3） P1DIR：方向選擇寄存器，為 1位輸出，為 0位輸入 。 （ 4） P1IFG：中斷標(biāo)志寄存器 。 （ 5） P1IES：中斷觸發(fā)沿選擇寄存器。 （ 6） P1IE：中斷使能寄存器。 （ 7） P1SEL：功能選擇寄存器。 3．沒有中斷功能的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口 P P P5和 P6 各寄存器符號和功能如下所述（以P3 口為例）： （ 1） P3IN：輸入寄存器。 （ 2） P3OUT：輸出寄存器。 （ 3） P3DIR：方向選擇寄存器。 （ 4） P3SEL：功能選擇寄存器。 4．其他功能引腳： （ 1） RST/NMI：復(fù)位輸入，不可屏蔽中斷輸入端口。 （ 2） TCK ：測試時鐘， TCK是芯片編程測試和 bootstrap loader 啟動的時鐘輸入端口。 （ 3） TDI ： 測試數(shù)據(jù)輸入， TDI用作數(shù)據(jù)輸入端口，芯片保護熔絲連接到 TDI。 （ 4） TDO/TDI ：測試數(shù)據(jù)輸出端口， TDO/TDI數(shù)據(jù)輸出或者編程數(shù)據(jù)輸出引腳。 （ 5） TMS ：測試模式選擇 ， TMS用作芯片編程和測試的輸入端口。 （ 6） VeREF+ ：外部參考電壓的輸入。 （ 7） VREF+ ：參考電壓的正輸出引腳。 （ 8） V