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光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的論文
摘要：為了提升光伏陣列的輸出效率，設(shè)計(jì)了一種以復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）為核心，基于MSP430F169單片機(jī)的光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式速度慢、外圍電路復(fù)雜、安全性低的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于CPLD的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且內(nèi)部采用了先進(jìn)的先入先出隊(duì)列（FIFO）存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。通過RS232串口方式和無線模塊方式與上位機(jī)通信傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集速度快、功耗低、傳輸穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；CPLD；單片機(jī)
0引言
當(dāng)光伏陣列處于遮陰條件時(shí)，需要對(duì)每個(gè)電池板進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集，以便完成最大功率點(diǎn)跟蹤控制的設(shè)計(jì)，使光伏陣列更高效穩(wěn)定地工作[1]。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，基于單片機(jī)、ARM的數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)很成熟，作為一種復(fù)雜可編程邏輯器件，CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)這些年來發(fā)展迅猛，以其極高的集成度、穩(wěn)定的性能以及高速、易用的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[2]。因此，本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行多路并行采集，采用CPLD作為核心器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在檢測(cè)控制系統(tǒng)中，當(dāng)需要采集的信號(hào)特別多時(shí)，傳統(tǒng)的方法是利用單片機(jī)及其他芯片擴(kuò)展系統(tǒng)資源來實(shí)現(xiàn)，但是這樣做會(huì)增加大量的外部電路和系統(tǒng)成本，并且增大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。CPLD是一種具有豐富的可編程I/O引腳的器件，具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活、可用I/O端口多的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯功能。和單片機(jī)結(jié)合可較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)[3]。FIFO(FirstInputFirstOutput)是一種廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)中的用來作為緩沖的存儲(chǔ)器，它能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速順序的存儲(chǔ)和發(fā)送，主要用來解決不同速率器件間的速率匹配問題。本系統(tǒng)通過精心設(shè)計(jì)FIFO體系結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)FIFO工作性能的大幅提升[4]。
1硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的接收點(diǎn)為將每一路光照強(qiáng)度傳感器產(chǎn)生的模擬量轉(zhuǎn)化為CPLD可以接收并處理的數(shù)字量的信號(hào)調(diào)理電路，將它直接連入I/O口即可。本設(shè)計(jì)使用了40個(gè)接收點(diǎn)來接收40塊光伏電池板的光照強(qiáng)度數(shù)值，由于受到芯片資源的限制，故使用了3片CPLD同時(shí)工作。本設(shè)計(jì)選用的CPLD芯片為Altera公司的MAXIIEPM1270T144C5N芯片，此芯片在所有CPLD系列中其單位I/O成本最低，功耗最低，包含1270個(gè)LE，相當(dāng)于40000門數(shù)、980個(gè)等效宏單元數(shù)、8KB用戶可用Flash比特?cái)?shù)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖1。
1.1CPLD采集電路的設(shè)計(jì)
因?yàn)閿?shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路已經(jīng)轉(zhuǎn)化為CPLD可以直接讀取的數(shù)字量，所以各信號(hào)直接接入CPLD的普通I/O口即可。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)精度、穩(wěn)定性、功率等方面綜合考慮，采用了50MHz有源晶振。CPLD在線編程和芯片自身的測(cè)試可通過JTAG接口來實(shí)現(xiàn)。
1.2通信電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)與上位機(jī)通信數(shù)據(jù)輸出電路采用了無線傳輸模塊和RS232串口通信電路，采用雙通信是為了適應(yīng)不同環(huán)境下的工作，無線傳輸模塊采用了挪威NORDIC公司的NRF905射頻發(fā)射芯片。RS232串口通信電路則采用以MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片為核心設(shè)計(jì)而成的串口通信電路。
1.3電源電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)控制器單片機(jī)與CPLD使用的都是3.3V電源，但是液晶顯示屏、電池供電等采用的是5V電源，故需要對(duì)電源進(jìn)行變換才能給芯片供電，故對(duì)電源模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用了以穩(wěn)壓塊LM1117T為核心的5V轉(zhuǎn)3.3V電路。
1.4控制電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集芯片采用的是CPLD，但是控制核心采用了TI公司的MSP430F169單片機(jī)，MSP430具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、低能耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)場(chǎng)合。
2軟件設(shè)計(jì)
2.1CPLD采集數(shù)據(jù)主程序設(shè)計(jì)
由于CPLD芯片的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，工作方式不像單片機(jī)等屬于順序執(zhí)行，而是采用速度更快的并行執(zhí)行，這意味著所有的接收口可以同時(shí)工作。每串?dāng)?shù)據(jù)都有起始位和停止位，并且起始位都為低電平，停止位為高電平。檢測(cè)數(shù)據(jù)是否開始傳輸只需判斷是否來了低脈沖，但這也可能是誤差信號(hào)，所以需設(shè)置判斷是否是真正的起始位，本設(shè)計(jì)采用的方法是每隔十分之一數(shù)據(jù)位的時(shí)間檢測(cè)一次，如果連續(xù)五次都為低脈沖，則確認(rèn)為有效數(shù)據(jù)，并且每隔一個(gè)數(shù)據(jù)位開始接收。由于篇幅限制，只給出如圖2所示的一路數(shù)據(jù)端的主程序流程圖。
2.2CPLD內(nèi)部FIFO算法判斷程序設(shè)計(jì)
為達(dá)到高速緩存的目的，以及解決存入數(shù)據(jù)與取出數(shù)據(jù)的速率不同步的問題，設(shè)計(jì)了一套FIFO寄存器的執(zhí)行流程，因?yàn)镃PLD是并行操作，所以流程圖中各個(gè)判斷位是同時(shí)執(zhí)行。圖3為CPLD內(nèi)部FIFO寄存器的執(zhí)行程序。
2.3單片機(jī)程序流程圖
單片機(jī)作為控制核心，但由于單片機(jī)I/O資源有限，所以3片CPLD采集芯片的輸出端接在一起，這就意味著需要MSP430單片機(jī)對(duì)CPLD進(jìn)行片選控制，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂。流程圖中的寄存器狀態(tài)位為本設(shè)計(jì)中設(shè)定的一個(gè)標(biāo)志位，設(shè)定的依據(jù)為當(dāng)數(shù)據(jù)超過FIFO寄存器的2/3時(shí)，就認(rèn)定FIFO即將溢出，將狀態(tài)位置1，否則置0。當(dāng)讀取到其中一片CPLD芯片的寄存器狀態(tài)位為1時(shí)，就讓其余2片CPLD所有的數(shù)據(jù)輸出為高阻態(tài)，即輸出喪能�？刂坪诵膯纹瑱C(jī)則作為數(shù)據(jù)的接收端根據(jù)需要來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，被選中的CPLD按照單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖4所示。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
仿真驗(yàn)證是CPLD設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，Altera公司的CPLD自帶的QuartusII軟件本身帶有仿真功能，但是無法使用TestBench(類似于一種激勵(lì)產(chǎn)生器)，對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，畫波形圖顯然不是明智的選擇。而Modelsim是業(yè)界最優(yōu)秀的HDL仿真軟件，其突出優(yōu)點(diǎn)能為用戶提供全面完善以及高性能的驗(yàn)證功能，不需要硬件就能對(duì)CPLD的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真,而且能夠觀察具體的模擬波形圖[5]。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖5所示。CPLD的仿真驗(yàn)證使用Modelsim-altera編寫了腳本程序?qū)庹諒?qiáng)度數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Lock信號(hào)是單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，高電平時(shí)讀取一串?dāng)?shù)據(jù)的高8位，低電平時(shí)讀取數(shù)據(jù)的低8位，data為輸出信號(hào)，txdb模擬輸入的信號(hào)。仿真顯示能夠順利讀取數(shù)據(jù)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖6為Modelsim的仿真波形圖，從圖中可直觀地看出讀取的數(shù)據(jù)。
4結(jié)論
本文研究設(shè)計(jì)了基于CPLD和MSP430F169單片機(jī)的光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了電路板的設(shè)計(jì)，測(cè)試了工作性能。通過不斷地在線編程完善和調(diào)試，該系統(tǒng)可以快速可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，效果理想，可以應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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