基于MSP430F149单片机的直流电子负载设计

摘要 鉴于电子负载在电源设备测试中的广泛应用，研制了一台以MSP430F149单片机为核心处理器的直流电子负载。单片机MSP430F149内设ADC12模块对负载电压、电流信号实时采样，并外设10位D/A转换芯片TLC5615输出模拟电压信号驱动MOS管，内部控制采用BP神经网络算法，实现定电流、定电压、定电阻和定功率4种工作模式。经安装测试，系统调整时间<3 s，电压电流测量误差均<±0.5%，且跟踪速度快、测量精度高，并具有一定的经济实用价值。

在电子、通信、能源等领域中，需要对电源稳压器、蓄电池和功率电子元件等设备进行测试。在进行传统的负载测试时，需要用电阻、电容和电感或是其串并联组合来模拟实际负载情况，该测试方法其负载调节为有级调节，精度差、体积大、功耗高且稳定性差。直流电子负载是以功率半导体器件为载体，吸收和消耗电能的一种模拟负载。其基本原理是通过控制功率场效应晶体管(MOS)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或功率晶体管(GTR)等的导通量，实现定电流、定电压、定电阻和定功率4种工作模式。因此，负载可进行连续调节，且体积小、精度高、稳定性好。

设计的直流电子负载以MSP430F149为控制核心，内部使用BP神经网络算法，配以外围模块，实现了直流电子负载的恒压、恒流、恒阻和恒功率功能，其具有硬件结构简单、跟踪速度快、精度高、以及控制灵活的特点。

1 系统的总体设计和工作原理

1.1 系统总体设计

根据直流电子负载的实现方式，本设计包括电压电流检测模块、控制驱动模块、键盘及液晶显示模块等，具体结构如图1所示。

1.2 工作原理

通过人机交互模块中的键盘和LCD显示功能，系统能够选择不同的工作模式，即定电流、定电压、定电阻和定功率4种工作模式，且还可通过键盘设置在不同工作模式下的参数值。选定工作模式并设置相关参数之后，再运行此模式。MSP430F149对工作电压和电流实时检测，并通过内部BP神经网络算法与设定值进行比较，快速调整功率器件的导通量，直至系统的运行数据与设定值保持一致。其调整时间<3 s，电压电流测量误差均<±0.5%。

4种工作模式的具体原理如下所述：(1)定电流模式。无论负载电压如何变化，负载电流始终与设定的电流参考值保持一致。(2)定电压模式。负载电压的变化决定负载电流的变化，电压值设定后，电流会发生变化，直到电压值与所设定的参考电压相等。(3)定阻模式。负载电压、负载电流成比例的变化，从而使得电阻值维持恒定，电压与电流相比的结果与按键输入电阻值相等。(4)定功率模式。功率值是负载电流、负载电压相乘的结果，通过控制调节，负载电压、电流相乘结果与设定的功率值相等。

2 系统硬件设计

MSP430F149是系统控制的核心，拥有16位处理器，超低功耗，并具有较多的I/O端口，可满足人机交互模块的需求，片内12位A/D转换器有较高的转换效率，可满足电压电流采样精度要求。

2.1 电压电流检测模块

电压电流检测模块包括电压采样电路、电流采样电路、片内A/D转换电路，其硬件原理如图2所示。

电压检测采用电阻分压原理，即采样得到电阻R4上的电压值，取样后送入内置A/D转换电路，最终输出一个<3.3 V的电压。为方便计算与调试，设置A/D的测量范围为0～3 V，R4采用滑动变阻器。由于系统所测电压范围为0～30 V，因此R3与R4的比值应为9：1。采样电压UADV与实际电压U的转换关系如下所示

电流采样电路需将变化的电流信号转化为相对应的电压信号，电流信号以R5为载体转化为电压信号。由于系统所测电流范围为0～3 A，设置片内A/D测量范围为0～3 V。因此，当R5上有3 A电流流过，其电压不能超过3 V，即R5的取值不能超过1 Ω。为使系统安全低耗的运行，选定精密电阻R5为0.5 Ω，然后电压信号通过运算放大器LM324放大2倍，最终送入内置A/D转换芯片进行处理。采样电压UADV与实际负载电流的关系为

2.2 控制驱动模块

控制驱动模块包括隔离放大电路和D/A转换电路。硬件原理如图3所示。

功率半导体器件选用n沟道增强型功率场效应管IRF740，漏源之间的最大承受电压为400 V，常温下漏极电流最大为10 A，符合设计需求。在D/A输出口与IRF740栅极之间加入线性光耦器件HCPL7840，驱动功率场效应管IRF740工作，同时起到隔离作用，以提高抗干扰能力。

MSP430F149无内置D/A转换电路，因此，需要在外围增设D/A转换电路。D/A转换芯片选用10位的数模转换器TLC5615，只需3根串行总线便可完成10位数据的传输，易于和单片机进行接口，并简化了电路，其外部基准电压一般为2.048 V，因此系统选用高精度基准电压源REF3020，满足了芯片需要。TLC5615最大可输出基于基准2倍的电压，即可驱动MOS管正常工作。

3 软件设计

软件的主程序流程如图4所示，可使被测负载稳定的工作在恒流、恒压、恒阻、恒功率4种工作模式下。软件包括初始化程序、数据采集程序、单片机处理程序、D/A转换程序和LCD显示程序等。程序执行时先对各模块程序进行初始化，然后对负载电压电流进行实时采样，再经过MSP430F149处理，并结合相应的控制算法，快速调整PWM输出，最终的实际值与预先设定值保持一致。

在控制驱动功率负载电路PWM输出时，软件部分采用的是BP神经网络算法，在上述4种工作模式中，若实际值大于给定值，利用BP神经网络算法不断训练，实时调整PID控制器参数，并通过得到的最优参数便可精确推导出控制量，进而得到PWM占空比。同时驱动MOS管的栅极电压，降低管内的导通量使实际值减小，最终与给定值保持一致。若实际值小于给定值，则增大MOS管的导通量使实际值增大。

BP神经网络算法可最大化的逼近直流电子负载的非线性曲线，实时调整PID参数，使PID调节达到最优状态，且此算法的收敛速度快，能够到达理想的控制效果。

4 结束语

系统以MSP430F149超低功耗单片机为控制核心设计的直流电子负载装置，实现了对负载输入电压为0～30 V、负载输入电流为0～3 A的调节与控制。通过软硬件结合调试，测得系统最大负载电阻为90 Ω、最大负载功率为90 W，电压和电流的测量误差均控制在以下，能够实现对系统恒压、恒流、恒阻、恒功率4种工作模式的平滑调节与切换。此处系统以软件替代硬件的原则，简化了硬件电路。综上所述，文中设计的直流电子负载装置具有测量误差小、硬件简单、易于调试等优点。