基于MSP430的LED驅動搭建

王軍 季春華 徐元平

【摘要】本設計采用TI公司超低功耗單片機MSP430F5529A作為系統主控芯片，以TI公司Boost型升壓電源芯片TPS61040為主要電源芯片。本設計利用MSP430內部的PWM發生器產生PWM信號，將其接入的電源芯片的使能端，通過控制該PWM信號的占空比來控制一定周期內電源電路工作的時間，使LED負載兩端的平均電壓按預定規律變化，進而轉化為負載電流的變化。通過大量測試得到各工作電流下對應的PWM信號占空比信息，存儲到單片機中供程序調用以實現對電流的穩定控制。大量實驗數據證明，本設計工作穩定，設計簡單，達到了預期效果。

【關鍵詞】MSP430;PWM信號;占空比

1.系統方案論證與分析

1.1 系統控制方式選擇

方案一：精密開環控制。首先通過大量實驗，建立起LED負載電流和PWM占空比之間的映射關系，作為已知知識存儲到程序中供查詢。當需要某一指定大小的電流時，即查表確定相應的PWM占空比參數。此方案的優點是程序結構簡單，代碼量較小。缺點是精度有限，對系統各元件的參數敏感性較高。

方案二：閉環控制。通過傳感器等采集LED負載回路的電流信號，將其轉化為A/D轉換范圍內的電壓，將經A/D轉換后的數字量與預設值（數字量）相比較，利用該偏差調整PWM占空比參數，使其按指定規律變化，進而控制負載電流向使偏差值減小的方向調整，直至進入誤差允許范圍，實現閉環控制。此方案的優點是控制精度高，對閉環內各種干擾均有較強的抑制能力。缺點是需要額外的反饋回路及其它器件，系統電路結構及程序均較復雜，穩定性下降。

結論：考慮下述原因，本設計選擇方案一。

由于不提供大電容及大電感，根據電路實測，Boost型升壓芯片TPS61040的輸出電壓無法較好地穩定，且輸出電流無法保持較好的連續性。這給傳感器采樣帶來較大困難，從而A/D轉換過程無法完成，閉環也就無法實現。而開環系統則相對簡單，根據指標要求，需要測試的數據量很少，實測各項指標均可達到要求。因此，選擇方案一。

1.2 電容供電模式下的系統設計

方案一：該方案是指只用一片TPS61040為整個系統提供電源，包括五顆白光LED、MSP430單片機、顯示模塊等。由于TPS61040的輸入電壓低至1.8V，所以當斷電后電容電壓可以跌到1.8V單片機仍然能夠獲得足夠的工作電壓。該方案的優點在于只用一片芯片，可以在較低的輸入電壓工作。缺點是輸入電壓不是最低的，輸出電壓的范圍太寬。

方案二：直接PWM調制。直接利用該電路本身高效率的特點，不在加入其他電源管理的條件下，讓電容放電，通過選擇合適的起始電流，配合PWM調制可以達到比較理想的效果。此方案優點簡單易行。缺點是可能不會達到最高的效率。

結論：考慮以下因素，本設計選擇方案二。

對第一種方案測試之后發現：五顆LED的供電電壓遠高于單片機的工作電壓，導致必須加入降壓穩壓拓撲，不可行。

由于高效的二級電源管理模塊設計過程復雜，需要計算的參數較多，很難簡單地得出最高效的方案。而該電路本身在輸入電壓為3.3V時效率高達85%，在輸入電壓2.4V時效率仍可達到77%-82%，即在無其他電源管理電路時，該電路效率已經是較高水平。因此，選擇方案二。

2.理論分析與計算

2.1 負載電壓范圍

單個白光LED的導通壓降約為2.5V，欲驅動串聯的5個白光LED需要至少12.5V的電壓，加上肖特基二極管的結壓降，所設計的電路輸出電壓需高于12.7V。

2.2 限流電阻的選擇

為方便測試、簡化計算，與LED串聯的電阻選100歐姆，該電阻上的電壓除以100歐姆即可得出此時流過LED的電流，既滿足設計要求，又可方便地監視電流。

3.系統硬件及程序設計

3.1 系統整體結構框圖

本系統整體結構如圖3-1-1所示，主要包括MSP430主控制器和TPS61040升壓主電路兩部分。

圖3-1-1 系統整體結構框圖

如圖所示，正常工作模式下，LED負載由直流穩壓電源（設定為3.3V）供電，利用MSP430內部的PWM信號發生器產生固定頻率可調占空比的PWM信號，作用于升壓芯片使其輸出電壓達到預定值，從而使負載電流達到要求值。由理論計算可知，LED燈串負載所需導通壓降需在12.5V以上，因此升壓電路為必須的電路部分，是系統控制的關鍵部分。

3.2 系統升壓主電路設計

系統升壓主電路如圖3-2-1所示，主要功能芯片為TI公司生產的Boost型升壓電路芯片TPS61040。

圖3-2-1 TPS61040升壓主電路圖

如圖所示，DC-DC芯片的使能端EN接MSP430的P2.4引腳，該引腳輸出的是固定頻率（100～500Hz）可調占空比的方波，通過控制該方波的占空比即可控制DC-DC芯片的輸出電壓，進而控制流經LED的電流。通過精確控制PWM信號的占空比即可實現對輸出電流的開環恒定控制。

3.3 系統軟件設計

系統軟件流程如圖3-3-1所示。系統上電后，單片機執行初始化函數，初始化lcd、按鍵、led等外圍設備，然后在lcd上顯示歡迎界面;利用定時器產生250Hz的PWM，調節其占空比使I=1mA;然后程序進入主循環，檢測按鍵：若按鍵s1被按下，則依次將I_set遞增3mA（I_set代表設定電流值），并在lcd上顯示，同時調節PWM占空比，使電流達到I_set，繼續循環。

圖3-3-1 系統軟件流程圖

4.測試方案與測試結果

4.1 測試儀器

測試中用到的儀器儀表主要包括萬用表、穩壓電源、示波器以及信號發生器，具體信息見表4-1-1。

表4-1-1 測試中用到的儀器儀表信息

4.2 測試項目及結果

（1）恒流模式下的精度測試

根據要求，系統需要工作在一系列恒流值下，通過調整對應電流下的PWM信號的占空比，即可使輸出電流達到所需精度。部分測試結果如表4-2-1所示。

表4-2-1 恒流模式下的精度測試結果

如上表所示，設定值與測量值間的絕對誤差均遠小于要求的0.2mA，完全達到目標要求。

（2）步進模式下的精度測試

根據要求，系統需要以至多3mA的步距步進設定負載電流值，并能循環設定電流值。本設計通過按鍵來控制電流的步進，測試結果如表4-2-2所示。

表4-2-2 步進模式下的精度測試結果

表4-2-3 電容供電系統工作時間測試結果

由表4-2-2可知，步進模式下連續測量各電流值穩定情況，發現其誤差仍在允許范圍內，達到目標要求。

（3）電容供電模式下系統持續工作時間測試

根據要求，系統需在僅由電容供電情況下使LED工作在0.5mA以上的時間盡量延長。本設計采用電容自然放電方式，恰（下轉第181頁）（上接第179頁）當選擇初始電流，加以PWM調制，使LED電流保持在稍高于0.5mA的值，直至放電結束。沒有加其它元件以節約電能，藉此增加LED工作時間。測試結果如表4-2-3所示。

由表4-2-3可知，系統工作時間和初始電流有一定關系，通過調試可以得到最佳的初始電流。

5.遇到的問題及解決辦法

閉環A/D采樣時，發現采樣電阻上的電壓不穩定，采樣值跳躍。原因是PWM頻率較低，且電源芯片輸出端沒有加電感和電容進行濾波，導致電流不連續、電壓不平穩。受限于時間，經過計算及分析，決定將系統改為開環控制，在保證精度的前提下盡量提高系統性能，使其達到盡可能多的指標。

6.總結

本系統以MSP430為主控制器，利用其內部PWM發生器產生的PWM信號控制升壓電路的輸出電壓，從而達到對負載電流的控制。系統采用了較為簡單、穩定的開環控制算法，利用大量測量值建立起來的占空比-負載電流關系曲線來確定各電流值下的PWM占空比參數，從而實現對電流的恒定控制。

參考文獻

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作者簡介：王軍（1979—），男，江蘇寶應人，大學專科，助理工程師，研究方向：單片機的應用及移動通訊技術研究。