太陽(yáng)能跟蹤控制裝置中ARM接口電路的設(shè)計(jì)＊

呂棟騰

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

1 引言

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置常用的方法有傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤[1]。傳感器跟蹤是采用光電傳感器檢測(cè)陽(yáng)光是否偏離系統(tǒng)集熱器法線，光電傳感器發(fā)出偏差反饋信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整集熱器的角度重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是預(yù)先設(shè)計(jì)好程序，控制集熱器跟隨太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行動(dòng)作；傳感器跟蹤受限于傳感器精度影響，某些情況下會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤跟蹤。開(kāi)環(huán)的視日運(yùn)動(dòng)跟蹤在系統(tǒng)運(yùn)行前要精準(zhǔn)定位，控制程序存在較多的局限性，出現(xiàn)誤差后需要人為調(diào)整跟蹤裝置的方向；實(shí)踐證明，太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收效率相差達(dá)到35%[2]。本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能跟蹤裝置通過(guò)兩個(gè)高精度數(shù)字傳感器完成初始定位，采用ARM 架構(gòu)的LPC2290 微處理器作為主控芯片，以傳感器的瞬時(shí)測(cè)量值作為反饋，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳感器和ARM的串口通信。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能顯著提高太陽(yáng)能的利用效率。

2 太陽(yáng)能跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)是將太陽(yáng)能傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種方法結(jié)合，采用兩級(jí)混合跟蹤。太陽(yáng)能集熱器自動(dòng)跟蹤裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。在視日運(yùn)動(dòng)跟蹤的基礎(chǔ)上增加了QXJ-BZ-V-90-G-Φ64型數(shù)字式傾斜角傳感器和DWQT-360-BZ-232-Φ34-I 型數(shù)字式水平角度傳感器兩個(gè)高精度角度傳感器，通過(guò)傳感器完成初始定位，在高度角和方位角兩個(gè)方向上進(jìn)行跟蹤，并串行輸出表示傾角的數(shù)字信號(hào)，利用傳感器的瞬時(shí)測(cè)量值作反饋修正程序。采用基于16/32位ARM7TDMI-S的LPC2290微處理器作為主控芯片，支持系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真和跟蹤。

3 ARM微處理器和串行通信接口UART0

ARM架構(gòu)是面向預(yù)算較低市場(chǎng)設(shè)計(jì)的一種RISC處理器，其應(yīng)用范圍遍及電子、自動(dòng)化、汽車等各個(gè)領(lǐng)域[3]。采用ARM技術(shù)的微處理器普遍具有高性能、低功耗等特點(diǎn)。隨著指令集功能的擴(kuò)大，ARM的體系結(jié)構(gòu)也在不斷演變。本次設(shè)計(jì)采用的LPC2290芯片是一款基于16/32位ARM7TDMI-S 的微處理器，工作處于Thumb 狀態(tài)時(shí)，可將代碼規(guī)模降低30%，而性能不受影響，支持控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真和跟蹤。LPC2290 具有豐富的外設(shè)資源，支持雙電源操作，2路高級(jí)互連的CAN通道，帶有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波器。另有兩路UART，片內(nèi)boot 裝載程序可以通過(guò)UART0串口進(jìn)行下載和編程[4]。

本次設(shè)計(jì)以傳感器的瞬時(shí)測(cè)量值作為反饋對(duì)太陽(yáng)能跟蹤裝置的控制程序進(jìn)行誤差修正，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳感器和ARM 間的串行通信，其核心器件是通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。LPC2290有2個(gè)UART，結(jié)構(gòu)基本相同。UART0 提供數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收接口，UART1多一個(gè)調(diào)制解調(diào)控制接口，我們主要使用UART0接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，UART0內(nèi) 部結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。UART0 有RxD0 和TxD0 兩 個(gè)引腳，用作串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，它通過(guò)VPB接口與CPU通訊，調(diào)整VPB 時(shí)鐘可以改變位傳輸?shù)乃俾?。UART0在工作時(shí)移位寄存器（U0RSR）進(jìn)行數(shù)據(jù)的位傳輸，將接收到的有效字節(jié)數(shù)據(jù)放置于接收緩沖區(qū)中等待CPU 讀取，而待發(fā)送的數(shù)據(jù)先暫存于保持寄存器(U0THR)中，由U0TSR 按位讀取和發(fā)送。由于LPC2290 的I/O 電壓較低，使用UART0 與其它控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，要注意電平的匹配；如果是與PC機(jī)進(jìn)行通信，在連接時(shí)還要使用RS232轉(zhuǎn)換器，通過(guò)UART0進(jìn)行ISP操作[6]。

4 角度傳感器和ARM的串口通信

安裝傳感器時(shí)要使傳感器的標(biāo)記箭頭為待測(cè)的敏感方向。電源線紅正黑負(fù)，6V～12V 直流電。信號(hào)線為黃色-PC_RXD，藍(lán)色-PC_TXD，屏蔽線-GND。安裝接線完成后要對(duì)傳感器進(jìn)行零位校準(zhǔn)，并以用戶的標(biāo)準(zhǔn)(水平)位置為準(zhǔn)，將傳感器置于標(biāo)準(zhǔn)(水平)位置，通過(guò)串行通信命令讀取傳感器輸出數(shù)值，以該數(shù)值為零位[7-9]。

4.1 串行通信協(xié)議

傳感器串行通信標(biāo)準(zhǔn)是RS-232，波特率設(shè)為9600b/s，偶校驗(yàn)。一幀數(shù)據(jù)共11位，起始位1+8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)校驗(yàn)位+1 個(gè)停止位。數(shù)據(jù)格式為7 字節(jié)的ASCII 碼，數(shù)據(jù)含義是符號(hào)1 字節(jié)、角度整數(shù)部分2 字節(jié)、小數(shù)點(diǎn)1 字節(jié)、角度小數(shù)部分2 字節(jié)和結(jié)束1 字節(jié)，數(shù)據(jù)輸出格式見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)傳輸方式為單向無(wú)條件連續(xù)輸出，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間大約0．14S。

表1 每組7字節(jié)數(shù)據(jù)

4.2 具體實(shí)現(xiàn)

傳感器工作前首先進(jìn)行驗(yàn)證是否無(wú)故障。在斷電的狀態(tài)下，連接傳感器和計(jì)算機(jī)，利用串口小助手，接收串行輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置來(lái)驗(yàn)證傳感器是否正常，傳感器驗(yàn)證無(wú)故障后方可進(jìn)行通信設(shè)置[10]。本次設(shè)計(jì)采用了水平角度和傾斜角度兩個(gè)高精度數(shù)字角度傳感器，和ARM芯片進(jìn)行通信，通過(guò)其瞬時(shí)測(cè)量值修正控制程序。兩個(gè)傳感器工作過(guò)程基本類似，系統(tǒng)上電后傳感器測(cè)量角度，然后將所測(cè)信號(hào)回傳給ARM，ARM接收角度信號(hào)，經(jīng)換算后顯示所測(cè)真實(shí)角度值，傳感器工作過(guò)程如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)頒布的《可再生能源法》中明確提出了未來(lái)將重點(diǎn)發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物能等新型清潔能源，其中太陽(yáng)能的研究和利用是新能源技術(shù)中前景最為廣闊的，且目前隨著科研人員的努力也取得了很大的成績(jī)[11]。但太陽(yáng)能的輻射量會(huì)隨著時(shí)間變化（主要由太陽(yáng)傾角影響），同時(shí)還存在分散性和方向性等問(wèn)題，不利于能量的有效收集[12]。本次設(shè)計(jì)的混合雙軸太陽(yáng)能跟蹤裝置在方位角和高度角方向上都安裝了高精度角度傳感器，通過(guò)傳感器和ARM的串口通信設(shè)置，將反射裝置的實(shí)際位置與太陽(yáng)的位置進(jìn)行比較，通過(guò)偏差信號(hào)進(jìn)行修正和調(diào)整，使太陽(yáng)光始終垂直照射在接收面，提高能量的接收效率。經(jīng)過(guò)綜合調(diào)試，該系統(tǒng)工作過(guò)程穩(wěn)定，跟蹤精度能夠滿足實(shí)際要求，對(duì)現(xiàn)階段太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。