基于MSP430的AD采样直流电子负载系统的设计
汪正进朱代先宋亚亚
（西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安710054）
【摘要】针对目前电源负载测试一般都采用静态负载耗放电的方法来实现，整个测试过程的安全保护以及精准度方面有很多不足之处。为了实现了电子负载的恒流控制，能够检测被测电源的电流、电压并由液晶进行实时显示。此系统设计一种采用高精度的AD采样芯片并结合单片机实现可调电子负载。系统中利用键盘预置电流值及单片机控制外部D/A模块输出改变其电子负载功率器件参数，来实现电源输出电流大小的改变；同时，系统中采用闭环负反馈电路来保持电流值恒定不变。
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关键词 电子负载；MSP430单片机；恒流源；AD采样
0引言
电子负载的测试在我们日常生活中应用越来越广泛，如购买的电源或者电池以及充电电源或者电池放电试验等都有使用。然而，在传统的测试过程当中，常用阻值固定的或者可变的电阻等来充当测试负载，但是它们遇见可调节的负载或者功率恒定的负载、电流恒定的负载以及带输出接口的负载等就不能满足要求。
目前市场上已出现可根据电子负载在具体使用过程的需求来进行可调控的特性进行设置，不过此类产品均没有任意功率因数线性负载模拟功能或者说能量回馈功能，如如德国H&H的产品，它们将单机从0.7kVA至5.2kVA分为共7个等级，最小输入电压可达2V（rms），而且具有谐波模拟功能，最大可模拟9次谐波（基波400Hz、谐波含量30%）。
本设计采用MSP430单片机，结合高精度的AD采样芯片来完成直流电子负载的设计。此系统可以将所测电源的电流和电压实时采样参数输出在液晶屏上并稳定地显示出来。此系统以单片机作为外围电路，可靠性高、扩充性好、测量精度高、设计界面美观，有很强的实用价值。
1系统的总体设计
软件设计中包括其结构设计流程图以及各个主干子程序，比如键盘识别程序、液晶显示程序。最后则是系统的调试以及实验数据与结果的记录。
此电子负载系统的设计由硬件和软件两大部分组成。结合开发成本和系统的稳定性等因素，硬件设计采用MSP430单片机作为核心控制器，它是一个16位的CPU，集成了16位寄存器和常数发生器，而外围模块则通过地址、数据、控制总线的形式与CPU相连，这样可以有效地利用存储器的所有指令对外围模块进行实时控制。此系统的外围设备由电源模块、功率模块、数据采集模块、单片机控制模块、键盘与显示模块构成。此系统设定值可通过按键调整，对功率模块其内部各项参数进行实时设置，单片机信号的变化可通过D/A芯片输出，再利用A/D模块对输出电压和电流进行采集，将采集结果经过处理发送至液晶屏并显示。
2系统硬件平台设计
2.1恒流源电路设计
此系统的输出电流在100mA～1A变化，精度为2mA。因此恒流源模块采用达林顿管TIP122和LM258运放组成恒流电路。达林顿管TIP122的放大倍数为1000倍，最大连续电流5A；双运算放大器LM258，它精度高且由电容构成的调节器对内部频率具有补偿作用。此恒流源设计由运放和达林顿管以及采样电阻三者构成闭环负反馈电路,可以达到使电流恒定的目的。
2.2电源电路的设计
系统中电源电路的设计分为变压电路和降压电路两大部分，变压器与整流桥一起构成变压电路，由交流变直流；降压电路，系统中需要一些特定的电压，需要由降压电路来完成。
电路中220V交流电压经过变压电路，将电压送至降压电路，降压电路是使用开关型集成稳压芯片LM2596。通过LM2596输出±12V直流电压供给运放工作，输出5V直流电压供给A/D、D/A芯片工作。再经过稳压电路REG1117-3.3输出固定电压3.3V，额定电流800mA，主要给430单片机供电，两端电容主要滤除纹波，使直流更稳定。系统中使用LM2596开关型集成稳压芯片，是考虑到当输出的电流过大而导致过热时会实行自动保护功能。
2.3显示模块
液晶显示模块可以显示汉字与图形，它是由128*64点阵组成。液晶显示模块可通过8位并行及串行的方式连接微处理机，与CPU接口直接对接。它的启动电压低以及耗能小，同时可实现画面的左右移动和光标的闪烁显示等功能。
3系统软件平台设计
系统软件设计实现的主要功能有数据处理、模数转换及控制输出等。系统上电之后，首先主程序需要完成初始化，如I/O口的初始化赋值、系统变量赋数值、计数器与定时器模式的设置等；初始化结束后对过电压进行检测，同时进入键盘扫描函数选项，选择合适的模式，负载调整率测量模式或电流步进模式，键盘扫描获取键值标志值后根据所按键的键值，进行电流值设定，电流值的大小可通过加减值来改变，并在液晶模块上显示输出测量数值。
3.1D/A转换
当片选（CS）为低电平时，利用时钟信号来检测输入数据，根据最高有效位在前的方式读入16位移位寄存器。当SCLK输入信号为下降沿，数据就可以直接移入寄存器。前四位为特殊位，用于通道选择和转化的方式，后12位为需要转换的值。
3.2A/D采样
对电压电流值的采样需要通过A/D转换，将模拟量转换为数字量并送往液晶屏进行显示。A/D转换是在时序到来复位以后进行开始启动，在串行时钟SDA接收到12个时钟信号时进行串行采样，当第十二个时钟信号下降沿到来时判断A/D转化是否完成，若采样完成则转换输出显示。
4系统测试与分析
4.1测试环境及仪器
在室温条件下，测试所用仪器需要用UTP3315TF-L（0-30V，0-5A）直流稳压电源和XL830L数字万用表各1台。
4.2负载调整率的计算分析和结果测试
直流稳压电流负载调整率的测试原理：当电流从最小值，即0mA（电源不接负载时）变化到电流最大值1A时输出电压的变化率。
负载调整率的测试方法：
①设置键盘的输出电流为0mA（不接负载），记录此状态下的输出电压U1；
②设置键盘的输出电流为1A，记录此状态下的输出电压UO；
负载调整率为
×100％。本系统的负载调整率测试结果表明，U1的电压值从5.933V逐渐增到16.398V，UO的电压值从3.877V逐渐增到14.186V，它们得到的理论负载调整率和实际测负载调整率都在逐渐减小，分别从34.7%降到13.5%和29.0%降到11.0%。
5结语
设计的电子负载系统是利用单片机实现智能控制，通过对程序进行不同的控制调用来实现模拟电源测试时的各种工作需要，在恒流模式下，便于负载调节。能够实时检测到被测电源的电压电流值在液晶屏上进行显示。今后可以研究在其他工作模式下，如何提高电子负载的实用性。
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参考文献
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［责任编辑：曹明明］