0 引言

    當(dāng)光伏陣列處于遮陰條件時，需要對每個電池板進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集，以便完成最大功率點跟蹤控制的設(shè)計，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(Complex Programmable Logic Device)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，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用^[2]。因此，本文為了實現(xiàn)對光照強(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。

    在檢測控制系統(tǒng)中，當(dāng)需要采集的信號特別多時，傳統(tǒng)的方法是利用單片機(jī)及其他芯片擴(kuò)展系統(tǒng)資源來實現(xiàn)，但是這樣做會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，可實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯功能。和單片機(jī)結(jié)合可較容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)^[3]。

    FIFO(First Input First Output)是一種廣泛應(yīng)用在設(shè)計中的用來作為緩沖的存儲器，它能對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速順序的存儲和發(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FIFO體系結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)FIFO工作性能的大幅提升^[4]。

1 硬件電路設(shè)計

    本設(shè)計的接收點為將每一路光照強(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)字量的信號調(diào)理電路，將它直接連入I/O口即可。本設(shè)計使用了40個接收點來接收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同時工作。

    本設(shè)計選用的CPLD芯片為Altera公司的MAX II  EPM1270T144C5N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1 270個LE，相當(dāng)于40 000門數(shù)、980個等效宏單元數(shù)、8 KB用戶可用Flash 比特數(shù)。硬件電路設(shè)計如圖1。

1.1 CPLD采集電路的設(shè)計

    因為數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理電路已經(jīng)轉(zhuǎn)化為CPLD可以直接讀取的數(shù)字量，所以各信號直接接入CPLD 的普通I/O口即可。設(shè)計時對精度、穩(wěn)定性、功率等方面綜合考慮，采用了50 MHz有源晶振。CPLD在線編程和芯片自身的測試可通過JTAG接口來實現(xiàn)。

1.2 通信電路設(shè)計

    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)計而成的串口通信電路。

1.3 電源電路設(shè)計

    本系統(tǒng)控制器單片機(jī)與CPLD使用的都是3.3 V電源，但是液晶顯示屏、電池供電等采用的是5 V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(shè)計，采用了以穩(wěn)壓塊LM1117T為核心的5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路。

1.4 控制電路設(shè)計

    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，被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)場合。

2 軟件設(shè)計

2.1 CPLD采集數(shù)據(jù)主程序設(shè)計

    由于CPLD芯片的設(shè)計特點，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，所以需設(shè)置判斷是否是真正的起始位，本設(shè)計采用的方法是每隔十分之一數(shù)據(jù)位的時間檢測一次，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。

2.2 CPLD內(nèi)部FIFO算法判斷程序設(shè)計

    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)計了一套FIFO寄存器的執(zhí)行流程，因為CPLD是并行操作，所以流程圖中各個判斷位是同時執(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CPLD進(jìn)行片選控制，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂。流程圖中的寄存器狀態(tài)位為本設(shè)計中設(shè)定的一個標(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，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，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)生時鐘信號，被選中的CPLD按照單片機(jī)的時鐘信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖4所示。

3 實驗結(jié)果分析

    仿真驗證是CPLD設(shè)計中的重要一環(huán)，Altera公司的CPLD自帶的Quartus II軟件本身帶有仿真功能，但是無法使用TestBench(類似于一種激勵產(chǎn)生器)，對于復(fù)雜的設(shè)計，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)點能為用戶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(shè)計進(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)計目標(biāo)要求做了實驗驗證，如圖5所示。CPLD的仿真驗證使用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)行了實驗。Lock信號是單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)的時鐘信號，高電平時讀取一串?dāng)?shù)據(jù)的高8位，低電平時讀取數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，基本達(dá)到了設(shè)計要求。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，測試了工作性能。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)

[1] 龔耀，林小玲.光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(8)：108.

[2] 張云梓.基于CPLD的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007(8)：100.

[4] 李冬，趙志凱.一種高性能異步FIFO的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2010(8)：145.

[5] 張桂興，張英敏，張鵬.基于IP核與ModelSim的正弦波發(fā)生器仿真平臺建立[J].測控技術(shù)，2011(1)：28.