基于FPGA控制的車載光能收集系統(tǒng)

馮梓浩

（廣西師范大學(xué)，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著新能源的發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電得到了廣泛的市場(chǎng)關(guān)注[1]。但現(xiàn)有市場(chǎng)主要的產(chǎn)品均為太陽(yáng)能發(fā)電板安裝在不同的裝置，由于氣候的因素，實(shí)時(shí)的光照各不相同，因此大多數(shù)相關(guān)發(fā)電效率不穩(wěn)定[2]。本文基于一種高性能Stratix III FPGA芯片控制的移動(dòng)式車載光能收集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出收集太陽(yáng)能的最佳位置。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本次項(xiàng)目主要對(duì)基于FPGA控制的車載光能收集系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，將FPGA為主控制器，由于FPGA相對(duì)于單片機(jī)具有并行試行等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送數(shù)據(jù)之間不存在時(shí)間差，也就是說(shuō)系統(tǒng)的收發(fā)可以變?yōu)橐惑w化，減少中間因?yàn)槭占杉桶l(fā)送所損失的太陽(yáng)能位置信息。同時(shí)針對(duì)于現(xiàn)有的太陽(yáng)能板運(yùn)輸車一般采用鋰電池作為動(dòng)力，充電時(shí)間一般較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響車輛的使用效率，本系統(tǒng)車輛將車頂改為太陽(yáng)能電池板，能夠?qū)崿F(xiàn)邊工作邊充電，但是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的安裝位置大多是固定的，而這種方式不能夠根據(jù)太陽(yáng)的位置，進(jìn)行調(diào)整太陽(yáng)能電池板的照射角度，從而導(dǎo)致充電效率較低，所以存在不便于調(diào)節(jié)角度的缺陷，為此我們提出新型太陽(yáng)能板，解決以上提出的問(wèn)題。

本系統(tǒng)由光照傳感器模塊、電機(jī)模塊、GPS模塊、FPAG主控、光伏太陽(yáng)能板、升壓模塊和儲(chǔ)能電池組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總構(gòu)成

2 系統(tǒng)的軟硬件總體

2.1 系統(tǒng)總體功能

基于FPGA的車載光伏收集系統(tǒng)其主要作用為通過(guò)各模塊間的數(shù)據(jù)進(jìn)行角度調(diào)整從而使光伏太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)化效率提高。由GPS模塊采集車速信息以及光照傳感器模塊采集光所在的方位反饋至FPGA主控芯片中進(jìn)行處理并發(fā)送控制電機(jī)調(diào)整光伏太陽(yáng)能板的控制指令，使其面向光強(qiáng)度高的一方；光伏太陽(yáng)能板將轉(zhuǎn)化的電能通過(guò)升壓模塊升壓到可以電動(dòng)汽車需要的伏數(shù)后，將其儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池中，待電動(dòng)汽車使用時(shí)將其釋放。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 主控制器

要做到快速的同時(shí)處理GPS以及光照傳感器模塊反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令，需要一個(gè)高算力的芯片；本次采用的芯片為Stratix III高端芯片，該芯片具有優(yōu)異的特性、極高極快的算力、具有業(yè)界最佳的信號(hào)完整性和設(shè)計(jì)安全性、能夠在邏輯陣列模塊 (LAB) 級(jí)進(jìn)行編程符合本次模擬設(shè)計(jì)。

2.2.2 光伏太陽(yáng)能板

移動(dòng)式太陽(yáng)能收集板，包括調(diào)節(jié)箱，所述調(diào)節(jié)箱內(nèi)腔底部的左側(cè)固定安裝有電機(jī)，所述電機(jī)的輸出端固定連接有螺桿，所述螺桿的右端通過(guò)軸承與調(diào)節(jié)箱的連接處轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述螺桿的外表面螺紋連接有套筒，所述套筒的頂部固定連接有驅(qū)動(dòng)板，所述調(diào)節(jié)箱的頂部滑動(dòng)連接有活動(dòng)板，所述驅(qū)動(dòng)板的頂部貫穿調(diào)節(jié)箱且與活動(dòng)板的連接處固定連接，所述調(diào)節(jié)箱頂部左側(cè)的前后位置均固定連接有定位板，兩個(gè)所述定位板相對(duì)一側(cè)的頂部均通過(guò)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接有轉(zhuǎn)軸，兩個(gè)所述轉(zhuǎn)軸相對(duì)的一端固定連接有承載板，所述承載板的頂部固定安裝有太陽(yáng)能電池板本體，所述活動(dòng)板頂部的前后位置均通過(guò)活動(dòng)軸活動(dòng)連接有推板，所述推板遠(yuǎn)離活動(dòng)板的一端通過(guò)活動(dòng)軸與承載板的連接處活動(dòng)連接。

圖2中：1、調(diào)節(jié)箱；6、活動(dòng)板；7、定位板；8、轉(zhuǎn)軸；9、承載板；10、太陽(yáng)能電池板本體；11、推板；14、滑軌；16、安裝板；17、擋板；18、橡膠墊。所述調(diào)節(jié)箱的正面通過(guò)螺絲固定連接有擋板，所述調(diào)節(jié)箱的底部粘接有橡膠墊。

圖2 光伏太陽(yáng)能板

2.2.3 光照傳感器

本次設(shè)計(jì)采用BH1750光照傳感器，該傳感器具有功耗小，體積小，支持兩個(gè)IIC地址，最高支持400kbps的傳輸速率，對(duì)于本次模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)足矣，如圖3所示。

圖3 光照傳感器模塊

兩個(gè)IIC地址可以通過(guò)排針上面的地址引腳ADDR來(lái)選擇，接GND時(shí)器件地址為0100011 ，接VCC時(shí)器件地址為1011100。通過(guò)SDA數(shù)據(jù)信號(hào)線和SCL時(shí)鐘線與主控芯片相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.4 GPS模塊

本次模擬設(shè)計(jì)定位部分采用E108-GN01高集成度多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊，原理圖如圖4所示。

圖4 GPS模塊

本次設(shè)計(jì)將GPS模塊作為從機(jī)與FPGA主板通過(guò)串口進(jìn)行通訊，端口間使用安卓數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接,上電時(shí)V-RF亮起代表天線正常工作，使用有源天線來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，定位成功后IPPS開始閃爍，此時(shí)便可進(jìn)行串口通訊。使用TXD來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)至FPAG主板進(jìn)行處理，RXD接收來(lái)自FPGA主板的數(shù)據(jù)并解析其指令來(lái)進(jìn)行相應(yīng)工作，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后TXD串口指示燈便亮起，以此來(lái)完成從機(jī)與主機(jī)之間的通訊。

2.2.5 升壓模塊

本次模擬設(shè)計(jì)采用96片太陽(yáng)能電池組件，單片電壓約為0.4～0.7V，總電壓約在48V左右，在升壓模塊中經(jīng)過(guò)線圈升壓到可以啟動(dòng)電動(dòng)車的伏數(shù)，通過(guò)整流橋整流成單向的脈動(dòng)直流電，脈動(dòng)直流電經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑的直流電，濾波后再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，得到基本不受外界影響的直流電源輸出，如圖5所示。

圖5 升壓模塊

2.2.6 電機(jī)模塊

本次模擬電機(jī)設(shè)計(jì)使用BTN7970 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，具有四路通道輸出，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，雙路 PWM 波控制，具備電流反饋穩(wěn)定輸出和檢測(cè)電機(jī)工作狀態(tài)的功能，部分電路原理圖6所示。

圖6 電機(jī)模塊

2.3 軟件程序設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序運(yùn)行流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先進(jìn)行初始化，接著主控芯片開始接收GPS定位模塊以及光照傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，并發(fā)送指令通過(guò)偏差信號(hào)控制電機(jī)調(diào)整光伏太陽(yáng)能板的位置。具體運(yùn)行程序如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

2.3.2 子程序運(yùn)行流程圖

（1）光照傳感器模塊

本次模擬設(shè)計(jì)ADDR引腳是接在GND上，且使用的模式為連續(xù)測(cè)量高分辨率模式。在程序上，先發(fā)送上電命令(0x01)并初始化；接著進(jìn)行連續(xù)測(cè)量：寫入起始信號(hào)(ST)，之后寫入器件地址和讀寫位（本次使用的器件地址0100011），然后寫入應(yīng)答位，再而寫入測(cè)量的命令(0x10)并應(yīng)答，最后寫入結(jié)束信號(hào)(SP)；測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀?。簩懭肫鹗夹盘?hào)(ST)，接著器件地址和讀寫位，之后是應(yīng)答位，緊接著接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)SDA引腳從輸出改成輸入，接收結(jié)束后寫入結(jié)束信號(hào)(SP)。如圖8所示。

圖8 光照傳感器模塊子程序流程圖

（2）GPS模塊子程序流程圖

GPS接收器利用多普勒效應(yīng)計(jì)算車的前進(jìn)速度，通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)定位并進(jìn)行測(cè)速，開始時(shí)讀取接收機(jī)偽距數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)得出多普勒觀測(cè)方程，獲得方程單差后計(jì)算G矩陣?yán)米钚《畏角蟮梦粗獢?shù)據(jù)并使其與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差平方和最小，根據(jù)誤差去進(jìn)行校正；當(dāng)定位收斂誤差小于0.001時(shí)，更新接收機(jī)位置并返回到計(jì)算G矩陣，否則輸出數(shù)據(jù)至FPAG主板，該數(shù)據(jù)為當(dāng)前車速。

圖9 GPS子程序流程圖

（3）電機(jī)模塊

主控芯片將分析完后的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)去控制電機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能板。程序設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 電機(jī)模塊子程序流程圖

3 結(jié)論

本文的移動(dòng)式車載光能收集系統(tǒng)，不僅在一定范圍內(nèi)能夠最大效率收集太陽(yáng)能，并且系統(tǒng)自身消耗能量較少，通過(guò)GPS和傳感器的相互配合能獲得更多的電能，滿足日常駕駛的能源需求。