基于MSP430F5438A单片机的磁悬浮控制器设计

向楠，黄道业

（安徽国防科技职业学院汽车工程系，安徽 六安 237011）

1 系统总体方案设计

交流磁悬浮控制器由MSP430F5438A单片机电路、显示及键盘电路、交流调压电路和串口AD转换电路 （ADS7950）等几部分组成。MSP430F5438A控制部分采用TI公司的MSP430F5438A为主控芯片；数码管显示和键盘由MSP430F5438A直接控制和检测；交流调压电路由MSP430F5438A控制实现调压；线圈悬浮通过带动滑动变阻器产生模拟信号，经过串口AD转换电路变换后送入MSP430F5438A，实现对线圈高度的闭环控制。系统设计总体方案如图1所示。

2 模块设计

2.1 MSP430单片机

MSP430单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能嵌入式控制器，是一款工业级混合信号处理器。拥有超低电压、超低功耗，处理器电源只需1.8～3.6V的低电压，时钟系统有多种低功耗模式，正常待机时耗流量低至0.8μA。其处理指令的速度很快。MSP430系列单片机为16位，采用精简指令集，运行速度快，当采用8MHz晶振时，它的指令周期可缩至125μs。该系列单片机具有12位的A／D转化器而且转换速率高，最高可达200kb／s，适用于高效率的数据采集的场合使用。

图1 系统总体设计方案

图2 MSP430单片机电路图

MSP430系列嵌入式微控制器均为工业级，工作温度为－40～85℃，运行稳定，可靠性高。

该控制器设计选用MSP430系列MSP430F5438A为主控芯片，其原理图如图2所示。其中，U1为100管脚单片机，U1的13脚XIN和第14脚XOUT连接XTAL1晶振，62管脚接瓷片电容C9的一端，电容另一端接地。U1有JA、JB、JC、JD 4类接口，其中的JB口连接交流调压模块的数字量输出口 （如需扩展就连接扩展芯片Header8x2）对应相接。

2.2 交流调压模块

交流调压模块由主要由MSP430F5438A控制实现调压，该模块主要交流调压电路和触发电路2部分 （见图3）。

1）交流调压电路 交流调压电路将2个晶闸管反并联后串联在每相交流电源与负载之间。随着电源的每半个变化周期内触发一次晶闸管，分时使之导通，采用相位控制方式构成交流电力控制电路。为了方便的调节交流输出电压的有效值，笔者采用与相控整流电路一样的方法，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，但它也存在深控时功率因数较低、易产生高次谐波等缺点。单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。综上所述，为了可靠、有效并准确地实现调压，单相交流调压电路中的负载呈感性时，使控制角保持在0～180°移相范围。与此同时，为了避免直流分量的出现，晶闸管触发的控制脉冲应采用宽脉冲或脉冲列触发。

2）触发电路 晶闸管触发电路的作用是产生符合系统要求的门极触发脉冲，这样是为了保证晶闸管在合适的时刻由阻断转为导通。经过各种方案比对，最终选用以KJ004芯片为核心构成集成触发电路。

2.3 串口AD转换电路模块 （ADS7950）

交流调压电路由MSP430F5438A控制实现调压；线圈悬浮通过带动滑动变阻器产生模拟信号，经过串口AD转换电路变换后送入MSP430F5438A，实现对线圈高度的闭环控制。系统包含电源、信号处理、A／D转换、接口等4大部分。这里笔者重点阐述串口A／D转换部分。

A／D转换电路包括ADS7950芯片U5（见图4），它有30个引脚，需外部基准电压为2.5V，内部包含4路复用器，其引脚5接5V电源，电容C16，C17并联在引脚5和引脚10之间，引脚9、引脚22、引脚27接地，引脚12、14、18、20 （CH1、CH2、CH3、CH4）为芯片U5的输入端口。上述交流调压触发模块调节悬浮线圈高度输出的模拟电压接到该ADS7950芯片U5第12脚 （CH3），ADS7950芯片U5输出数字量的引脚13（CH3）连接单片机MSP430F5438A的JB口。如果需要扩展的话，还可以在A／D转换电路和单片机之间加入接口电路。

图4 ADS7950

2.4 显示和键盘模块

该模块通过单片机按键来调节悬浮线圈高度并显示处理，包含了12864和1602的液晶接口、3个PMOD接口、12V电源输入、矩阵按键和独立按键。模块功能就是在液晶屏上显示字符数字，键盘选择矩阵键盘。

3 程序设计

程序开发流程图如图5所示。

图5 系统整体设计流程图

4 结语

笔者描述了一种磁悬浮控制器电路，包括单片机电路、显示电路、键盘电路、交流调压触发模块、串口AD转换电路模块、电源模块。所述的显示电路、键盘电路、交流调压触发模块、串口AD转换电路模块、电源均连接到单片机电路，交流调压触发模块对线圈悬浮进行高度调节后产生的模拟信号经过串口AD转换电路模块变换后送入单片机。该设计中，调节线圈悬浮高度时如何稳定的变化是一个难题，在对其软件设计时应该考虑PID调节，使系统消除稳态误差，提高无差度，这对编程有一定的难度。因此，如何使得控制器更为稳定及准确是笔者今后需要进一步研究的问题。

［1］梁源，贾灵，郝强 .大学生嵌入式学习实践——基于MSP430系列 ［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.

［2］周杏鹏，仇国富，王寿荣，等 .现代检测技术 ［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］郑先成，张晓斌，雷涛 .飞机供电系统交流电压畸变测试方法 ［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38（10）:1750－1753.