基于S3C2410和WinCE的光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)

向 平，袁 博，曹煜國

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需要提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力。通常工程中采用的方法是為光伏陣列安裝跟蹤裝置，而雙軸跟蹤方式是目前國內(nèi)外比較流行的太陽跟蹤系統(tǒng)裝置。因此，本文從現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，將設(shè)計采用視日軌跡跟蹤和雙軸跟蹤的方法，以ARM為控制核心，步進電動機為執(zhí)行元件，通過對跟蹤裝置的水平和俯仰兩個方向的控制，實現(xiàn)對太陽的全天候跟蹤。該跟蹤控制系統(tǒng)不僅對于大型光伏發(fā)電具有現(xiàn)實的意義，并能對改善和推廣利用太陽能起到積極的推動作用。

1 S3C2410簡介

S3C2410的CPU內(nèi)核采用的是ARM公司設(shè)計的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實現(xiàn)了MMU(內(nèi)存管理單元)、AMBA(先進的微控制器總線體系結(jié)構(gòu))總線和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有獨立的16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache，每個Cache都是由8個字長的行組成的。此外，S3C2410還集成了豐富的片上資源，開發(fā)者可以盡可能地減少外圍設(shè)備部件，從而大大減少了整個系統(tǒng)的成本，減少了開發(fā)周期。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖

系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖如圖1所示。根據(jù)天文太陽軌跡計算方法，微控制器MCU計算出太陽的高度角和方位角，轉(zhuǎn)換成步進電動機轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度所需的步數(shù)，通過I/O口進行脈沖和方向信號的發(fā)送至步進電動機的驅(qū)動器，驅(qū)動器進行一定的功率放大，驅(qū)動跟蹤裝置轉(zhuǎn)動，使光伏板時刻保持與太陽的光線垂直，完成實時跟蹤太陽的功能。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件設(shè)計方框圖如圖2所示。

(1)工作電壓及復(fù)位電路

系統(tǒng)的工作電壓有 1.8 V/2.0 V、5V 與 3.3 V三種。系統(tǒng)內(nèi)核供電1.8 V/2.0 V，1.8 V 內(nèi)核供時，最高工作頻率為200 MHz，本系統(tǒng)采用2.0 V內(nèi)核供電，最高工作頻率可達266 MHz。獨立直流5V電源供USB接口、LCD等使用。存儲器和I/O口所需電壓為3.3 V，可由5 V電源經(jīng)過降壓獲得。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方框圖

系統(tǒng)復(fù)位采用專門的復(fù)位芯片MAX708構(gòu)成復(fù)位電路，且?guī)в惺謩訌?fù)位的引腳，穩(wěn)定可靠。

(2)存儲模塊

系統(tǒng)采用了3種存儲器，即:NOR Flash、NAND Flash和SDRAM。NOR Flash存儲器具有速度快，數(shù)據(jù)不易丟失等特點，因此用于存放引導程序、操作系統(tǒng)和用戶程序。NAND Flash價格低廉、數(shù)據(jù)不易丟失，考慮到用戶不可對其直接操作的特點，將其作為文件存儲器，用于存放系統(tǒng)運行時所使用的程序代碼、堆棧和數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的運行速度。SDRAM為系統(tǒng)內(nèi)存，主要用于執(zhí)行主程序。

(3)人機交互模塊

液晶顯示器(LCD)、觸摸屏、矩陣鍵盤構(gòu)成了系統(tǒng)的人機交互模塊，液晶顯示和觸摸屏部分用于顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，鍵盤用于進行手動校正或系統(tǒng)的復(fù)位。S3C2410集成了256K色的TFT LCD(薄膜場效應(yīng)晶體管)控制器，系統(tǒng)采用分辨率為320*240，3.5英寸TFT液晶屏，帶有觸摸屏功能。鍵盤選用4*5矩陣小鍵盤與控制器的I/O口相連。

(4)通用I/O口

S3C2410具有24通道外部中斷源和117個通用輸入輸出口(GPIO)引腳，分為8組，即 PORTA(GPA)～PORTH(GPH)。8組I/O口按照其位數(shù)不同，可分為:1個23位輸出口(PORTA)，2個11位I/O口(PORTB和 PORTH))，4個16位 I/O口(PORTC、PORTD、PORTE、PORTG)，1 個8位 I/O 口(PORTF)。為滿足不同系統(tǒng)設(shè)計的需要，可以很容易地通過軟件對這些I/O口進行配置。本系統(tǒng)選用端口PORTF(GPF)，包括管腳GPF0～GPF7，由于只需四個端口即可完成系統(tǒng)的功能，因此選用GPF0～GPF3作為控制信號。

(5)其它

本系統(tǒng)選用了一個USB1.1 HOST接口和一個USB1.1 Device接口，USBDevice口與PC機相連，可與PC機進行通信。在燒寫Flash的時候，可通過USB下載，速度要比串口快得多。應(yīng)注意的是在采用USB下載時，需保證USB連接好，如不能下載需將USB重新插拔。

2.3 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用的步進電機為兩相四線型的永磁感應(yīng)式，其型號為 130BYG系列，配套驅(qū)動器為SH20822M，工作電壓為市電220 V，其連接采用共陰極接法(CP接 CP+，DIR接 DIR+，F(xiàn)REE接FREE+，共陰端分別接 CP－、DIR －、FREE－)，如圖3所示。步進電機單步走角為1.8°。

圖3 步進電動機與驅(qū)動器連接

通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。方向電平信號DIR由端口GPF1和GPF3來控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向;脈沖個數(shù)CP由端口GPF0和GPF2給出;脫機電平信號FREE，本系統(tǒng)不需要此信號功能，所以此端不接，懸空。此外，由于S3C2410的I/O輸出高電平為3.3 V，而SH20822M驅(qū)動電壓為5 V，兩者電平無法兼容，因此設(shè)計了3.3 V轉(zhuǎn)5 V電平轉(zhuǎn)換電路，保證控制器驅(qū)動電機正常工作。其實現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 電平轉(zhuǎn)化電路

3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

基于WinCE 6.0的嵌入式系統(tǒng)采用4層體系結(jié)構(gòu)，具有層次性強、可移植性好、組件可裁剪、強調(diào)編程接口和支持上層應(yīng)用等特點。光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)從下而上可分為4層:硬件平臺、驅(qū)動程序、WinCE 6.0操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。軟件部分主要分為操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制、應(yīng)用程序的開發(fā)。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

WinCE 6.0是微軟開發(fā)的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點。Visual Studio2005專業(yè)版作為WinCE 6.0的一部分一并被推出，而Visual Studio 2005專業(yè)版包括一個被稱為Platform Builder的功能強大的插件，可作為嵌入式平臺的“集成開發(fā)環(huán)境(IDE)”。本文就是選用WinCE 6.0+VS2005為開發(fā)環(huán)境，兩者的結(jié)合可滿足控制跟蹤系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性的要求。

3.1 WinCE 6.0 內(nèi)核的定制與移植

本系統(tǒng)所需的操作系統(tǒng)是通過對WinCE 6.0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行配置與裁剪后安裝運行在ARM9硬件平臺上的，其定制與移植過程大致簡述如下。

首先，確保PC機上已安裝好WinCE 6.0開發(fā)環(huán)境，利用其生成的開發(fā)工具Platform Builder進行操作系統(tǒng)IDE的定制，且附帶有基于WinCE 6.0平臺的所有創(chuàng)建、設(shè)計、編譯、測試和調(diào)試等一體的其它開發(fā)工具。

其次，創(chuàng)建板級支持包(BSP)即OAL層、Boot Loader和驅(qū)動程序的開發(fā)。再者，下載官方的EBOOT(在開發(fā)的過程中使用EBOOT，可以提高開發(fā)效率)，加載 BOOTLOADER的 Startup函數(shù)，EBOOT依次調(diào)用函數(shù) OEMDebugInit()、OEMPlatformInit()、OEMPreDownload()、OEMLaunch()完成內(nèi)核的初始化工作。最后，加載系統(tǒng)所需的驅(qū)動程序，如系統(tǒng)終端和系統(tǒng)時鐘驅(qū)動、實時時鐘驅(qū)動、USB驅(qū)動、液晶(LCD)驅(qū)動和觸摸屏驅(qū)動等。

WinCE 6.0內(nèi)核的定制與移植以及相應(yīng)驅(qū)動程序詳細過程這里不再贅述，應(yīng)用程序的開發(fā)是在Platform Builder導出的軟件開發(fā)工具包(SDK)上進行的，采用C/C++語言編寫。

3.2 應(yīng)用程序開發(fā)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件方框圖如圖6所示。包括系統(tǒng)初始化模塊、高度角和方位角計算模塊、步進電動機驅(qū)動模塊以及人機界面模塊等。采用面向?qū)ο蠓椒?，按照模塊化結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計與開發(fā)。

圖6 應(yīng)用軟件方框圖

(1)系統(tǒng)初始化模塊

該模塊的主要作用是確定機械裝置的基準位置以及控制機械裝置的行程和限位保護。將精密限位開關(guān)安裝在系統(tǒng)高度角和方位角方向的零點位置，當機械運動到基準位置的時候，通過觸發(fā)開關(guān)向控制器端口發(fā)送切斷信號，控制器接收到信號后，立即終止脈沖信號的發(fā)送。這種模式主要是針對系統(tǒng)工作異常和復(fù)位自動返回基準零點位置而設(shè)置的，此外，也可以同時減小因機械結(jié)構(gòu)加工和步進電動機傳動所產(chǎn)生的誤差累計。

(2)高度角和方位角計算模塊

該模塊根據(jù)太陽運行軌跡的算法，由當?shù)氐牡乩砦恢煤蜆藴蕰r間來確定太陽每時每刻的位置，且由相應(yīng)的公式可得出。在實際應(yīng)用中，手動輸入當?shù)氐乩砭暥?，當?shù)貢r間則由高精度控制器的時鐘模塊來提供，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤。

(3)步進電機驅(qū)動模塊

步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的控制元件。驅(qū)動模塊是控制器與步進電動機的接口，三者共同作用實現(xiàn)雙軸的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的控制。對于本系統(tǒng)的驅(qū)動器而言，轉(zhuǎn)向取決于控制器送出的方向電平的高或低，轉(zhuǎn)角取決于控制器送出的步進脈沖的個數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進脈沖之間的時間間隔。

本系統(tǒng)的主程序完成實時太陽高度角和方位角的計算，并對高度角和方位角按照每累計1.8°發(fā)出一次脈沖信號，這樣既可以滿足步進電動機參數(shù)，又不會累計誤差。并且對于水平方向進行20細分，俯仰方向進行10細分，使步進電動機的控制精度進一步提高，又能降低電機低頻振蕩?？刂破鞫丝诎凑詹竭M電動機穩(wěn)定工作的脈沖頻率200 Hz發(fā)出脈沖信號，同時發(fā)送方向電平來控制跟蹤裝置的運動方向，送至SH2088M驅(qū)動步進電動機按照控制策略運動。其控制程序主流程圖如圖7所示。

圖7 控制程序主流程圖

(4)人機交互界面

系統(tǒng)的人機交互界面是在WinCE 6.0提供的圖形界面服務(wù)下開發(fā)的，由圖形化窗口與事件子系統(tǒng)(GWES.EXE)實現(xiàn)?？稍诖私缑嫱ㄟ^設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)進行手動校正和異常復(fù)位，還可以顯示太陽的高度角和方位角及時間等狀態(tài)信息。其顯示界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)顯示界面

4 結(jié) 語

本文以S3C2410與WinCE 6.0為硬軟件平臺，以步進電動機為執(zhí)行元件，完成了光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)的整體功能設(shè)計，整個系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)微型化、高性能和實時性的要求，而且還可以對光伏發(fā)電系統(tǒng)其它功能進行擴展，具有很好的推廣性。

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