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光伏數據采集系統的設計的論文
摘要：為了提升光伏陣列的輸出效率，設計了一種以復雜可編程邏輯器件（CPLD）為核心，基于MSP430F169單片機的光伏數據采集系統。針對傳統的數據采集方式速度慢、外圍電路復雜、安全性低的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)設計了基于CPLD的光伏發(fā)電數據采集系統，并且內部采用了先進(jìn)的先入先出隊列（FIFO）存儲結構。通過(guò)RS232串口方式和無(wú)線(xiàn)模塊方式與上位機通信傳輸。實(shí)驗證明，本設計數據采集速度快、功耗低、傳輸穩定可靠。
關(guān)鍵詞：光伏系統；數據采集；CPLD；單片機
0引言
當光伏陣列處于遮陰條件時(shí)，需要對每個(gè)電池板進(jìn)行光照強度的采集，以便完成最大功率點(diǎn)跟蹤控制的設計，使光伏陣列更高效穩定地工作[1]。高速數據采集系統在現代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中應用越來(lái)越廣泛，基于單片機、ARM的數據采集技術(shù)已經(jīng)很成熟，作為一種復雜可編程邏輯器件，CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)這些年來(lái)發(fā)展迅猛，以其極高的集成度、穩定的性能以及高速、易用的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用[2]。因此，本文為了實(shí)現對光照強度數據進(jìn)行多路并行采集，采用CPLD作為核心器件進(jìn)行系統設計。在檢測控制系統中，當需要采集的信號特別多時(shí)，傳統的方法是利用單片機及其他芯片擴展系統資源來(lái)實(shí)現，但是這樣做會(huì )增加大量的外部電路和系統成本，并且增大了系統設計的復雜性。CPLD是一種具有豐富的可編程I/O引腳的器件，具有在系統可編程、使用方便靈活、可用I/O端口多的特點(diǎn)，可實(shí)現復雜的數字邏輯功能。和單片機結合可較容易實(shí)現數據的采集任務(wù)[3]。FIFO(FirstInputFirstOutput)是一種廣泛應用在設計中的用來(lái)作為緩沖的存儲器，它能對數據進(jìn)行快速順序的存儲和發(fā)送，主要用來(lái)解決不同速率器件間的速率匹配問(wèn)題。本系統通過(guò)精心設計FIFO體系結構，可以實(shí)現FIFO工作性能的大幅提升[4]。
1硬件電路設計
本設計的接收點(diǎn)為將每一路光照強度傳感器產(chǎn)生的模擬量轉化為CPLD可以接收并處理的數字量的信號調理電路，將它直接連入I/O口即可。本設計使用了40個(gè)接收點(diǎn)來(lái)接收40塊光伏電池板的光照強度數值，由于受到芯片資源的限制，故使用了3片CPLD同時(shí)工作。本設計選用的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，相當于40000門(mén)數、980個(gè)等效宏單元數、8KB用戶(hù)可用Flash比特數。硬件電路設計如圖1。
1.1CPLD采集電路的設計
因為數據通過(guò)信號調理電路已經(jīng)轉化為CPLD可以直接讀取的數字量，所以各信號直接接入CPLD的普通I/O口即可。設計時(shí)對精度、穩定性、功率等方面綜合考慮，采用了50MHz有源晶振。CPLD在線(xiàn)編程和芯片自身的測試可通過(guò)JTAG接口來(lái)實(shí)現。
1.2通信電路設計
系統與上位機通信數據輸出電路采用了無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和RS232串口通信電路，采用雙通信是為了適應不同環(huán)境下的工作，無(wú)線(xiàn)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電平轉換芯片為核心設計而成的串口通信電路。
1.3電源電路設計
本系統控制器單片機與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，故需要對電源進(jìn)行變換才能給芯片供電，故對電源模塊進(jìn)行了設計，采用了以穩壓塊LM1117T為核心的5V轉3.3V電路。
1.4控制電路設計
系統數據采集芯片采用的是CPLD，但是控制核心采用了TI公司的MSP430F169單片機，MSP430具有處理能力強、運算速度快、低能耗、片內資源豐富、方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用在各種工業(yè)場(chǎng)合。
2軟件設計
2.1CPLD采集數據主程序設計
由于CPLD芯片的設計特點(diǎn)，工作方式不像單片機等屬于順序執行，而是采用速度更快的并行執行，這意味著(zhù)所有的接收口可以同時(shí)工作。每串數據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。檢測數據是否開(kāi)始傳輸只需判斷是否來(lái)了低脈沖，但這也可能是誤差信號，所以需設置判斷是否是真正的起始位，本設計采用的方法是每隔十分之一數據位的時(shí)間檢測一次，如果連續五次都為低脈沖，則確認為有效數據，并且每隔一個(gè)數據位開(kāi)始接收。由于篇幅限制，只給出如圖2所示的一路數據端的主程序流程圖。
2.2CPLD內部FIFO算法判斷程序設計
為達到高速緩存的目的，以及解決存入數據與取出數據的速率不同步的問(wèn)題，設計了一套FIFO寄存器的執行流程，因為CPLD是并行操作，所以流程圖中各個(gè)判斷位是同時(shí)執行。圖3為CPLD內部FIFO寄存器的執行程序。
2.3單片機程序流程圖
單片機作為控制核心，但由于單片機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(zhù)需要MSP430單片機對CPLD進(jìn)行片選控制，否則會(huì )出現數據紊亂。流程圖中的寄存器狀態(tài)位為本設計中設定的一個(gè)標志位，設定的依據為當數據超過(guò)FIFO寄存器的2/3時(shí)，就認定FIFO即將溢出，將狀態(tài)位置1，否則置0。當讀取到其中一片CPLD芯片的寄存器狀態(tài)位為1時(shí)，就讓其余2片CPLD所有的數據輸出為高阻態(tài)，即輸出喪能�？刂坪诵膯纹瑱C則作為數據的接收端根據需要來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號，被選中的CPLD按照單片機的時(shí)鐘信號進(jìn)行數據傳輸，如圖4所示。
3實(shí)驗結果分析
仿真驗證是CPLD設計中的重要一環(huán)，Altera公司的CPLD自帶的QuartusII軟件本身帶有仿真功能，但是無(wú)法使用TestBench(類(lèi)似于一種激勵產(chǎn)生器)，對于復雜的設計，畫(huà)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(hù)提供全面完善以及高性能的驗證功能，不需要硬件就能對CPLD的設計進(jìn)行仿真,而且能夠觀(guān)察具體的模擬波形圖[5]。本系統根據設計目標要求做了實(shí)驗驗證，如圖5所示。CPLD的仿真驗證使用Modelsim-altera編寫(xiě)了腳本程序對光照強度數據采集結果進(jìn)行了實(shí)驗。Lock信號是單片機讀取數據的時(shí)鐘信號，高電平時(shí)讀取一串數據的高8位，低電平時(shí)讀取數據的低8位，data為輸出信號，txdb模擬輸入的信號。仿真顯示能夠順利讀取數據，基本達到了設計要求。圖6為Modelsim的仿真波形圖，從圖中可直觀(guān)地看出讀取的數據。
4結論
本文研究設計了基于CPLD和MSP430F169單片機的光伏數據采集系統，完成了電路板的設計，測試了工作性能。通過(guò)不斷地在線(xiàn)編程完善和調試，該系統可以快速可靠地進(jìn)行數據采集和處理，效果理想，可以應用于光伏系統中。
參考文獻
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[2]張云梓.基于CPLD的高速數據采集系統的實(shí)現[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.
[3]程明，畢立恒，楊曉光.基于CPLD的數據采集系統的設計[J].自動(dòng)化技術(shù)與應用，2007(8)：100.
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