基于MSP430单片机的直流电子负载装置

张望先， 姚彤彤， 赵久瑞， 谢德强

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430079)



基于MSP430单片机的直流电子负载装置

张望先， 姚彤彤， 赵久瑞， 谢德强

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430079)

介绍了一种基于MOSFET管的输出特性和转移特性，以MSP430F6638和FPGA为控制核心技术设计的恒流模式的直流电子负载装置。由24位A/D转换器采集电子负载的端电压和电流信号，经过微控制器处理后，输出栅极控制信号经D/A转换器和放大处理后驱动MOSFET栅极调节输出。采用闭环控制，利用PID算法调节，有利于对负载调节和精确控制。利用了多任务编程的思想，使得控制器中任务有条不紊地进行。此外，具有过压保护功能，具有一定的实用性。

直流电子负载； 恒流； MSP430F6638； 多任务编程

0 引 言

负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器的输出电能吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。在科学研究和产品研发中通常模拟负载对设备进行检测或测试，例如电子仪器的研发、电子线路实验以及各类电源的检测等[1]。传统的静态负载需要根据试验条件的变化不断调整，且笨重、不便携带、测试时消耗能量大[2-5]，电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、使用方便、灵活、效率高等优点[6-8]，在电源、通讯、汽车、蓄电池等领域得到了较好应用[9-12]，成为当前研究热点。

本文设计了一种直流电子负载装置，以MSP430F6638和FPGA作为电子负载的控制核心，使用MOSFET管作为功率消耗器件，实现了直流电流输出和电源负载调整率自动测量功能。电子负载工作于恒流模式，电流可设定，人机界面良好，测量精度高，可靠性好，且具有过压保护功能，具有很强的实用价值。

1 系统方案

1.1 总体方案设计

电子负载主要通过控制MOSFET管栅极电压来实现。系统以MSP430F6638和FPGA为控制核心，采样电路采集得到的电子负载的端电压和电流信号，经过微控制器处理后，输出栅极控制信号经D/A转换电路的转换和放大处理后驱动恒流控制电路中MOSFET的栅极，调节输出以达到恒流的目的。系统采用了闭环控制，利用PID算法，可精确控制输出电流，抗干扰能力强。另外系统还具备过压保护功能，安全性高。系统总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案图

1.2 功率控制

用增强型NMOS管作为功率器件。MOSFET管工作在可变电阻区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻[13]。MOSFET工作在可变电阻区时工作速度快，可靠性高，控制灵敏，有自限流作用，热稳定性好，而且无机械触点和运动部件，噪声低，寿命长[14-15]。

1.3 恒流控制

系统采用闭环控制的方法。内环通过恒流控制电路稳定输入到栅极的电压，具体实现方式为：流经电子负载的电流经过采样电阻，产生相应的电压信号，将电压信号进行适当放大后反馈到运放输入端，与D/A转换器输出的电压进行比较，最后稳定输出。外环利用微处理器改变D/A转换器的输出电压，进行微调，具体实现方式为：A/D转换器采集电子负载的电压电流信号送至微处理器进行分析计算，采用PID调节方式，通过微处理器输出驱动栅极的数字信号，经D/A转换器的转换后作为运放的输入，经过恒流控制电路，使输出电流更加稳定。

1.4 过压保护电路

本系统实时对电子负载的端电流和端电压进行检测，当检测到电压超过预设电压值时，MCU切断控制信号输出，使电子负载停止工作达到保护系统目的。

2 理论分析与计算

2.1 电压电流测量及精度分析

电子负载的输入电压范围比较大，超出了A/D转换器的输入范围，故先对其进行分压，经电压跟随器后输入至A/D转换器进行测量。

流经电子负载的电流经采样电阻Rs，采样电阻选用康铜丝，康铜丝阻值小，温度系数低，稳定性能好，其两端的电压经过电流分流监视器INA129的放大输入至A/D转换器。

2.2 电源负载调整率的测试原理

负载调整率是衡量电源好坏的指标，体现为当负载电流变换时电源的输出电压相应的变化情况，通常以输出电流从0变化到额定最大电流时，输出电压的变化量与输出电压的百分比值来表示。本系统额定输出电流为1 A，当被测电源的电压值设定为某个值时，调整负载使负载的电流从0变化至1 A，分别记录相应的电压值，则负载调整率为

其中：U1是电流为0时电源的输出电压；U2是电流为1 A时电源的电压。

3 电路设计

系统硬件部分主要由恒流电路和电流、电压采样电路构成，总体电路原理图如图2所示。

3.1 恒流电路设计

恒流电路由U1、U2、U3、Q1、Q2构成，其中U1为DAC8560，U2和U3均为OPA227，Q1为三极管，Q2为N沟道MOSFET管。

MCU给定控制信号，经U1进行D/A转换后得到模拟信号，由U2放大后输入U3的同相输入端IN+，同时采集采样电阻Rs两端的电压，经U5放大后输入至U3的反相输入端IN-，如果U3的IN-小于IN+，输出电压升高，使MOSFET管导通电阻减小，Rs上的电流增大；如果U3的IN-大于IN+，输出电压降低，使MOSFET管导通电阻增大，Rs上的电流减小，达到恒流的目的。

电路中电容C的存在，使恒流控制电路中同时具有PI调节，消除稳态误差，使输出电流更加精确，稳定性更好。电路中三极管Q1构成的射极跟随器使放大器的输出信号更加稳定，有利于对MOSFET管的控制。

图2 系统总体电路图

3.2 电流、电压检测电路设计

电流、电压检测电路由U4、U5、U6构成，U4为OPA227，U5为INA129，U6为ADS1256，将采集得到的模拟电压、电流信号转换为数字信号。

电流信号经U5进行放大，U5增益可调G=49.4K/Rg，Rg选用千分之一精度电阻，对微小信号进行稳定放大，放大后的信号输入至U6进行电流检测。被测电源的电压值其最大允许电压，因此电压的测量采用电阻分压的方法，得到的电压经过U4构成的射极跟随器后送入U6，进行电压检测。

4 软件设计

4.1 程序设计

程序设计部分主要需要实现A/D转换器数据的处理、过压保护、PID 算法、调整控制信号、负载调整率自动检测、键盘控制和输出显示等几个功能。

控制部分以MSP430F6638和FPGA为核心，FPGA负责对A/D转换的控制，由于本系统需要同时对这几个功能进行处理，故而利用MSP430F6638定时器作为时间轮，模拟多任务调度器。MSP430F6638根据所设置的任务优先级和阻塞时间周期对任务进行调度，使得这几项任务能够有条不紊得进行工作。程序设计主程序流程图如图3所示。

4.2 MSP430仿多任务编程

考虑到系统所实现的功能较多，为了提高系统的稳定性，必须保证A/D转换器采样率和PID算法的调整周期，降低LCD显示、按键扫描等对MSP430资源的占用，因此利用MSP430F6638的定时器模拟了多任务的任务调度器，有利于对软件各个功能的修改和调试，使得软件的各部分代码更具可移植性，方便对每个功能的运行周期进行设置，节省软件开发的时间。

多任务的实现只是基于调度器功能的模拟，任务的非运行态只有就绪态一种，使得多任务的控制核简小轻便，大大降低了MSP430F6638的内存占用。

调制器的工作核心在于CPU选择下一个运行的任务，调度器需要在每个时间片的结束时刻运行自己本身，一个称为心跳“tick”中断的周期性中断用于此目的。时间片的长度通过心跳中断的频率进行设定，心跳中断频率由MSP430F6638对定时器进行配置。在中断中判断下一任务的时间周期和任务优先级，选择下一运行任务。

图3 程序设计流程图

4.3 PID控制

系统需要将流过电子负载的电流稳定在所设定的值，这就需要对流经采样电阻的电流利用PID控制算法进行数字闭环控制。为了保证PID的调节质量，将PID调节周期尽可能的提高，利用ADS1256所采到的电流值与目标值的差的比例、积分、微分三项，反馈到DAC8560的电压输出，不断地对系统进行调节和补偿，最终将电流值稳定在目标值。由于硬件系统稳定，噪声控制在10 mV内，因而不必过于考虑微分项对噪声的敏感性，系统的动态效应和稳态误差都达到了很好效果。

5 系统测试

在对系统进行测试时，将直流电子负载置于实验室中在常温下进行测试，直流稳压电源作为被测电源与电子负载相连，在直流稳压电源与电子负载之间串联一个四位半万用表，通过键盘设定不同的电流值，记录万用表显示的实际电流值，观察并记录LCD屏上显示的测量值。记录数据如表1所示。

表1 恒流模式电流测试

由表1可以看出，实际测得的电流值与设定值几乎一致，误差小于0.2 mV，LCD显示的电流值与实际测得值也几乎一致，误差小于0.2 mV，且始终稳定在该值上，说明此电子负载精度和稳定性都很高。

6 结 语

本文设计了以MPS430F6638和FPGA为控制核心的简易直流电子负载，直流电子负载工作于恒流模式。系统由控制器将采集到的电子负载的端电压和电流进行处理，输出一个数字量控制D/A转换器的输出电压，经放大后，驱动MOSFET管的栅极调节输出。系统采用闭环控制，利用PID算法进行调节，可对电流、电压进行实时测量，测量精度高，流经电子负载的电流稳定，具有电源负载调整率自动测量功能，操作简便，此外，还具有过压保护功能，具有很高的实用性。

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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

武汉大学教改项目(610400011)

张望先(1967-)，女，湖北汉川人，硕士，高级实验师，主要从事测试计量技术与仪器研究工作。

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

TM 932

A

1006-7167(2015)08-0077-04