基于MSP430F5438A單片機的磁懸浮控制器設計

向楠，黃道業

（安徽國防科技職業學院汽車工程系，安徽 六安 237011）

1 系統總體方案設計

交流磁懸浮控制器由MSP430F5438A單片機電路、顯示及鍵盤電路、交流調壓電路和串口AD轉換電路 （ADS7950）等幾部分組成。MSP430F5438A控制部分采用TI公司的MSP430F5438A為主控芯片；數碼管顯示和鍵盤由MSP430F5438A直接控制和檢測；交流調壓電路由MSP430F5438A控制實現調壓；線圈懸浮通過帶動滑動變阻器產生模擬信號，經過串口AD轉換電路變換后送入MSP430F5438A，實現對線圈高度的閉環控制。系統設計總體方案如圖1所示。

2 模塊設計

2.1 MSP430單片機

MSP430單片機是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能嵌入式控制器，是一款工業級混合信號處理器。擁有超低電壓、超低功耗，處理器電源只需1.8～3.6V的低電壓，時鐘系統有多種低功耗模式，正常待機時耗流量低至0.8μA。其處理指令的速度很快。MSP430系列單片機為16位，采用精簡指令集，運行速度快，當采用8MHz晶振時，它的指令周期可縮至125μs。該系列單片機具有12位的A／D轉化器而且轉換速率高，最高可達200kb／s，適用于高效率的數據采集的場合使用。

圖1 系統總體設計方案

圖2 MSP430單片機電路圖

MSP430系列嵌入式微控制器均為工業級，工作溫度為－40～85℃，運行穩定，可靠性高。

該控制器設計選用MSP430系列MSP430F5438A為主控芯片，其原理圖如圖2所示。其中，U1為100管腳單片機，U1的13腳XIN和第14腳XOUT連接XTAL1晶振，62管腳接瓷片電容C9的一端，電容另一端接地。U1有JA、JB、JC、JD 4類接口，其中的JB口連接交流調壓模塊的數字量輸出口 （如需擴展就連接擴展芯片Header8x2）對應相接。

2.2 交流調壓模塊

交流調壓模塊由主要由MSP430F5438A控制實現調壓，該模塊主要交流調壓電路和觸發電路2部分 （見圖3）。

1）交流調壓電路 交流調壓電路將2個晶閘管反并聯后串聯在每相交流電源與負載之間。隨著電源的每半個變化周期內觸發一次晶閘管，分時使之導通，采用相位控制方式構成交流電力控制電路。為了方便的調節交流輸出電壓的有效值，筆者采用與相控整流電路一樣的方法，通過控制晶閘管開通時所對應的相位，從而達到交流調壓的目的。其晶閘管可以利用電源自然換相，無需強迫關掉電路，并可實現電壓的平滑調節，系統響應速度較快，但它也存在深控時功率因數較低、易產生高次諧波等缺點。單相交流調壓電路是對單相交流電的電壓進行調節的電路。綜上所述，為了可靠、有效并準確地實現調壓，單相交流調壓電路中的負載呈感性時，使控制角保持在0～180°移相范圍。與此同時，為了避免直流分量的出現，晶閘管觸發的控制脈沖應采用寬脈沖或脈沖列觸發。

2）觸發電路 晶閘管觸發電路的作用是產生符合系統要求的門極觸發脈沖，這樣是為了保證晶閘管在合適的時刻由阻斷轉為導通。經過各種方案比對，最終選用以KJ004芯片為核心構成集成觸發電路。

2.3 串口AD轉換電路模塊 （ADS7950）

交流調壓電路由MSP430F5438A控制實現調壓；線圈懸浮通過帶動滑動變阻器產生模擬信號，經過串口AD轉換電路變換后送入MSP430F5438A，實現對線圈高度的閉環控制。系統包含電源、信號處理、A／D轉換、接口等4大部分。這里筆者重點闡述串口A／D轉換部分。

A／D轉換電路包括ADS7950芯片U5（見圖4），它有30個引腳，需外部基準電壓為2.5V，內部包含4路復用器，其引腳5接5V電源，電容C16，C17并聯在引腳5和引腳10之間，引腳9、引腳22、引腳27接地，引腳12、14、18、20 （CH1、CH2、CH3、CH4）為芯片U5的輸入端口。上述交流調壓觸發模塊調節懸浮線圈高度輸出的模擬電壓接到該ADS7950芯片U5第12腳 （CH3），ADS7950芯片U5輸出數字量的引腳13（CH3）連接單片機MSP430F5438A的JB口。如果需要擴展的話，還可以在A／D轉換電路和單片機之間加入接口電路。

圖4 ADS7950

2.4 顯示和鍵盤模塊

該模塊通過單片機按鍵來調節懸浮線圈高度并顯示處理，包含了12864和1602的液晶接口、3個PMOD接口、12V電源輸入、矩陣按鍵和獨立按鍵。模塊功能就是在液晶屏上顯示字符數字，鍵盤選擇矩陣鍵盤。

3 程序設計

程序開發流程圖如圖5所示。

圖5 系統整體設計流程圖

4 結語

筆者描述了一種磁懸浮控制器電路，包括單片機電路、顯示電路、鍵盤電路、交流調壓觸發模塊、串口AD轉換電路模塊、電源模塊。所述的顯示電路、鍵盤電路、交流調壓觸發模塊、串口AD轉換電路模塊、電源均連接到單片機電路，交流調壓觸發模塊對線圈懸浮進行高度調節后產生的模擬信號經過串口AD轉換電路模塊變換后送入單片機。該設計中，調節線圈懸浮高度時如何穩定的變化是一個難題，在對其軟件設計時應該考慮PID調節，使系統消除穩態誤差，提高無差度，這對編程有一定的難度。因此，如何使得控制器更為穩定及準確是筆者今后需要進一步研究的問題。

［1］梁源，賈靈，郝強 .大學生嵌入式學習實踐——基于MSP430系列 ［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［2］周杏鵬，仇國富，王壽榮，等 .現代檢測技術 ［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］鄭先成，張曉斌，雷濤 .飛機供電系統交流電壓畸變測試方法 ［J］.哈爾濱工業大學學報，2006，38（10）:1750－1753.