基于MSP430单片机的移动电站控制系统设计.doc

基于MSP430FXXX单片机的移动电站监控系统设计程月蒙 程培源 吕海峰（空军工程大学导弹学院 ）摘 要 本为介绍了一种基于MSP430FXXX单片机的某移动电站自动化监控系统充分利用了高速芯片的特有性能，辅以简单的外围电路，实现对移动电站的自动控制关键词 MSP430FXXX 移动电站 控制系统1 引言MSP430FXXX系列单片机作为一种较新的处理器，是Ti公司推出的一种面向工业控制、仪器仪表领域的低功耗16位单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为125 ns 这些特点保证了可编制出高效率的源程序以柴油发电机组为基础的移动电站是目前应用非常广泛的现场发电系统，可以作为邮电通信、财政金融、广播电视系统的应急电源，满足短期供电的需求，也可以长期供电它具有系统构建方便，实现简单，使用可靠和费用低廉的优点因此，在现代工业生产中得到了越来越广泛的应用本文设计了一种基于MSP430FXXX单片机的某型移动电站监控系统，监控系统能够对柴油发电机组的运行状况进行监测和自动控制，并实现自动送电。

2 MSP430FXXX单片机简介本文采用了MSP430FXXX系列中的MSP430F149作为控制系统的主控器件MSP430F149单片机的内部结构如图1所示：图1 MSP430F149内部结构图MSP430F149的主要特点如下：(1)超低功耗MSP430F149单片机内置了功耗极低的快速闪存在工作电压为3V，主频是1 MHz的时候，正常工作消耗电流小于400A，从而可以使监控器的电流消耗更小，电池的寿命更长2)片上存储器芯片上有60K FLASH ROM和2K RAM存储器，用于存储程序指令和数据，适合快速的运算数据存储区和程序存储区在同一地址空间、统一寻址，通过两条总线：程序总线和地址总线与CPU连接，存储区可以对字操作也可以对字节操作程序指令可以加载到RAM中并在RAM中执行，这就大大提高了运算速度 (3)多外设接口两个时钟源可选的定时器，可工作在比较/捕获模式，可输出PWM波形一个WATCHDOG(看门狗定时器)，当程序遇到未知错误发生“死机”情况时CPU响应WATCHDOG中断，系统自动复位4)硬件乘法器单元硬件乘法器是一个未集成入CPU的16位外围模块硬件乘法器可以作16位16位、16位8位、8位16位和8位8位的乘法运算(MPY)和乘加运算(MAC)。

在乘法中，被乘数操作数和乘数操作数均被存入乘法器相应的寄存器中，用户在输入第二个操作数之后就可以从结果寄存器中读取结果也就是说乘法操作不需要额外的时钟周期在较复杂的数字信号处理中需要作大量的乘加运算，硬件乘法器的出现使得数字信号处理成为可能5)晶振和时钟发生器MSP430F149有3个晶振可供选择二两个外部晶振(低频LFXT1，高频LFXT2)和一个内置的由数字控制的RC振荡器DCO芯片外围模块和CPU的时钟源可以在3个晶振中灵活选择，根据不同的工作状态为CPU和外围模块选择不同的时钟源，可以使芯片的性能发挥到最大、功耗降低到最小6)片上内置数模转换器ADC12，ADC 12有8个模拟输入通道，具有通用的采样/保持电路，可以选择采样时序、转换时钟和工作模式，参考电平可外接也可以选用内置的参考电平，另外ADC12不依赖CPU独立工作，由软件启动A/D转换，转换完成后结果存储在相应的寄存器中，在计算时读取即可采用内置的ADC12可以有效的降低成本，节省空间，减小布线干扰另外ADC12可以通过软件设置与省电模式有关的寄存器控制位，当不需要A/D采样的时候，相关控制位置位，ADC12进入低功耗状态，这就大大的降低了功耗。

7) JTAG接口由于MSP430芯片内部结构较复杂，引脚较多，而封装面积小，导致了引脚排列很密，传统的单片机仿真方式不适用于MSP430芯片的发展和应用开发MSP430F149片上的JTAG接口与内置的FLASH结合使得调试和仿真非常的便利3 总体设计整个系统的结构如图2所示，当主站需要数据时，通过MODEM拨所需子站的号码，等待子站MODEM应答，等双方MODEM通信成功后方可进入数据传送状态，等数据传输结束后，由主机发送指令来结束数据传输图2 发电机监控网络结构图由于MSP430单片机具有丰富的片内外设，在设计过程中，几乎不需要扩展外设即可满足要求柴油发电机监控系统的主要任务是，采集发电机运行的各项参数，包括开关量和模拟量，经过单片机的处理，与进行通信，再由进行进城或远程控制，接受发送的控制指令整个监控系统可以分为以下几个模块：模拟量输入模块、开关量输入/输出模块、RS232通信模块、MODEM通信模块监控系统设计框图如图3所示图3 监控系统结构框图4 硬件电路设计该移动电站控制系统的硬件电路组成如图4所示整个电路采用闭环控制型的计算机测控系统结构形成，控制过程由实时数据采集、实时判断决策和实时控制三个环节组成。

图4 监控系统硬件电路组成框图微控制器MSP430F149、复位电路和时钟/同步电路构成整个控制系统的核心其主要任务是控制和协调整个系统的运行并进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量/参量计算和越限报警等由于MSP430F149本身的A/D转换器只有8路，而需要采集的模拟量有14路，因此使用了一片4051多路开关，由于3V供电的需要，选择的是74HC4051由于MSP430F149本身自带8路12位A/D，故此设计极其简捷，只需要考虑模拟信号的滤波和放大倍数匹配即可需要采样的模拟量有：发电机输出三相电流、发电机输出三相电压，以及有发电机自带传感器输出的发动机转速、冷却水温度、冷却水压力、机油温度、机油压力、燃料油液位、两路蓄电池电压传感器信号经过前置放大、滤波后输入微控制器，通过PGA二次放大，然后进行A/D转换其中有六路窗户信号（发动机转速、冷却水温度、冷却水压力、机油温度、机油压力、燃料油液位）表征了机组的工作状况，当机组正常工作时，它们均有一定的范围要求此处利用了ADC的可编程窗口检测功能，对每一路信号，将窗口的边界参数输入ADC的上下限寄存器，在进行A/D转换后，如果可编程窗口检测器扫描到输入信号产生越限行为，就会触发一个越限中断，通知微控制器，作相应的处理或者报警。

这样，既节省了代码空间、CPU带宽，降低了硬件电路的复杂度，又为系统提供了快速响应的时间MSP430F149有六个8位I/O端口，所有各个I/O位都可独立编程JTAG专门用来对控制系统进行调试；UART是控制系统与上位机之间通信的主要通道，经电平转换后接到上位机的RS232端口，主要完成用户的数据交换和程序升级等任务人机接口包括键盘、显示和打印机键盘除了接收用户发出的控制指令外，还协助系统测试电路完成对整个控制系统的测试和维护工作显示任务由LCD和LED共同承担，它们主要用于显示柴油机的运行工况信息和发电机电压、电流、频率和功率等参数打印机主要用于记录系统的故障信息和机组的使用情况，打印备忘报文测试电路是实际应用系统的一个必要组成部分，它可以使用户对机组进行定期功检，在系统出现故障后，帮助维护人员快速完成故障定位和隔离工作测试电路由一套测试信号发生器和辅助电路组成测试信号发生器主要用来产生系统离线测试所需的传感器模拟信号和开关量信号等为了增强抗干扰能力，提高系统的稳定性，CPU运行中的抗干扰措施主要有三种：1、用“看门狗” (WATCHDOG)技术实现自复位2、“软件陷阱”抗干扰3、睡眠状态抗干扰。

前两种是较为常见的抗干扰方法，现就第三种方法做简要说明，在整个软件程序的流程中，CPU在很多情况下是在执行一些等待指令和循环检查程序，此时若CPU仍然保持清醒，除了使功耗增大之外还容易受干扰因此如果让CPU在没有重要工作的时候进入睡眠状态，必要时再由中断唤醒，处理结束后又进入睡眠状态采用这种安排之后，大多数情况下CPU处于睡眠状态，从而使CPU受到随机干扰的危险大大降低MSP430F149芯片具有5级LPM睡眠状态，芯片处于LPM睡眠状态时，只有相关时钟源工作的定时系统和使用的中断系统处于工作状态，CPU的活动状态降至最低要求，从而大大降低系统对干扰的敏感程度5 软件设计MSP430F149内部有60K FLASH ROM和2K RAM存储器，用于存储程序指令和数据，适合快速的运算由于程序中涉及到比较多的电量计算，这就决定了除了一些功能性模块接口外，存在着大量计算过程，而MSP430F149的硬件乘法器恰好满足了这样的需要当单片机启动后，先进行初始化设置，然后进行电压电流信号的采样，由于其他模拟量相对电压电流来说变化相对较慢，因此，可以在采集完电压电流的一个循环后采集一次这些非正弦量最后采集开关量。

当有主站的通信请求时，产生中断MODEM收到主站的拨一号命令后，与之进行连接，然后接收主站的命令，根据命令的需要，将数据上传至远程监控计算机，或者根据远程计算机的命令，对相应的继电器进行动作整个通信过程结束后，串行通信中断返回，单片机进入循环数据采样中程序设计的主程序框图如图5所示图5 系统主程序图MSP430F149有两个通用串行同步/异步模块(USART)，使用其中的一个与近程算机通过RS232通信，使用另外一个通过MODEM与远程计算机通信进行通信时，主站呼叫子站并发出命令，子站收到命令后返回相应信息主站在500ms内收不到子站响应或接受相应信息错误，则认为本次通信失败信息分为两种类型：由主站发出到子站的命令信息和由子站返回到主站的响应信息在实际通信过程中，可能会收到各种干扰，而使通信发生错误，我们对发送和接收数据采取数据打包和拆包技术，以帧为单位对数据进行处理，可以有效避免数据的误操作传输码中突然出现一串连续的全“0”或者全“1”码，对于这类错误，简单的奇偶校验无能为力，因此我们在通信设计中，采用反馈重发(ARQ)的方式也就是向单片机发送完一帧数据之后，等待单片机返回正常应答帧，若收到单片机返回的接收错误应答帧，则将此帧重新发送，直到收到单片机返回的正常应答帧。

串口通信中断服务程序如图所示：图6 串口通信中断服务程序6 结束语由单片机设计的移动电站自动化控制系统结构简单，使用维护方便，工作可靠整个监控系统由主站监控中心、RS232通讯接口、MODEM接口，输入输出通道系统软件、应用软件等组成主站监控平台可对发电机各相运行参数进行实时遥测、遥信和遥控，以最大限度减少值班人员的工作强度，并保证发电机监控的准确、及时与可靠1 袁春等.柴油发电机组.北京：人民邮电出版社，20032 魏小龙，MSP430系列单片机技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社，20023 何伟等，柴油发电机用柴油机的微机监控系统.工业仪表与自动化装置，2003.24 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社.1998MSP430FXXX Based Monitor System for a Mobile Power StationCheng Yuemeng(Airforce Engineering University)Abstract A monitor system for a mobile power station, which is based on the MSP430FXXX microcontroller, is described. It t。