（物理電子學(xué)專業(yè)論文）基于arm9的太陽光智能追蹤系統(tǒng).pdf

摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量的不足問題越來越突出。人們逐漸認(rèn) 識(shí)到應(yīng)該尋求一條可持續(xù)發(fā)展之路，因此尋找可再生能源與替代能源成為經(jīng)濟(jì) 發(fā)展的必由之路。而太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔可再生能源，是目 前世界上主要能源探明儲(chǔ)量的一萬倍。因而太陽能必然成為未來最理想的綠色 能源。 我國幅員遼闊，全年太陽照射能量巨大，但是太陽能的利用效率不夠充分， 這主要是由于太陽光的間歇性和空間分布不斷變化，傳統(tǒng)的太陽能設(shè)備無法對(duì) 太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。所以開發(fā)一套隨太陽的角度不斷變化的智能設(shè)備顯得尤為 必要。 嵌入式技術(shù)以其體積小、成本低、速度快、集成度高、功耗低和可靠性強(qiáng) 等特點(diǎn)越來越受到人們的普遍歡迎。本文正是基于嵌入式技術(shù)，提出了一種新 的智能追光原理。此裝置能大大提高太陽光的利用效率。不僅具有巨大的環(huán)保 價(jià)值而且具有廣闊的市場(chǎng)前景。 本文是以a r m 9 為中央處理器，以w i n c e 為操作系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)方面， 本文詳細(xì)分析了智能追蹤系統(tǒng)的組成和工作原理，完成了攝像頭傳感器模塊、 電機(jī)控制模塊和調(diào)試接口模塊的設(shè)計(jì)。軟件方面給出了w i n c e 系統(tǒng)的定制和移 植、驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等內(nèi)容。 通過以上工作，該系統(tǒng)能夠精確的計(jì)算任意時(shí)刻和地點(diǎn)太陽的高度角和方 向角，使太陽能電池板以及其他太陽能利用設(shè)備時(shí)刻處于太陽光直射下，增加 太陽光的利用率達(dá)到3 0 以上。能夠充分的滿足便攜式太陽光智能追蹤設(shè)備的 需求。 關(guān)鍵詞：a r m 9 ，智能追蹤，w i n c e 操作系統(tǒng)，嵌入式 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h ep r o b l e mo ft h es h o r t a g eo f c o n v e n t i o n a le n e r g yr e s e r v e si sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t p e o p l eg r a d u a l l y c o m et or e a l i z et h a tas u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tw a yi ss u p p o s e dt ob ef o u n d s o l o o k i n gf o rar e n e w a b l ee n e r g yo ra l t e r n a t i v ee n e r g yb e c o m i n gt h eo n l yw a yo ft h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y a st h es o l a re n e r g yi sa ni n e x h a u s t i b l es u p p l yo fc l e a n a n dr e n e w a b l ee n e r g y , a n di t sr e s e r v e si slo ，0 0 0t i m e s 鎬m u c ha st h ew o r d s p r o v e nr e s e r v e so fm a j o re n e r g y t h e r e f o r ，t h es o l a re n e r g yw i l li n e v i t a b l yb e c o m e t h eb e s tg r e e ne n e r g yr e s o u r c e s o u rv a s tc o u n t r yh a st r e m e n d o u se n e r g yo fs o l a rr a d i a t i o nt h r o u g h o u tt h ey e a r h o w e v e r , i t su t i l i z a t i o ni si n a d e q u a t e n i si sm a i n l yd u et ot h ei n t e r m i t t e n tn a t u r e o fs u n l i g h ta n dt h ee v e r c h a n g i n gs p a t i a ld i s t r i b u t i o n t r a d i t i o n a ls o l a re q u i p m e n t c a nn o tt r a c k i n gt h es u ni nr e a l - t i m e s oi ti sp a r t i c u l a r l ye s s e n t i a lt oi n v e n ta n i n t e l l i g e n te q u i p m e n tt h a tc a nc o n t i n u o u sc h a n g i n gt h ea n g l ew i t ht h es o n e m b e d e dt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e l yw e l c o m e dw i t ht h e f e a t u r eo fs m a l ls i z e ，l o wc o s t , h i g hs p e e d ，h i g hi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a n dr e l i a b i l i t y , e t c t h i sa r t i c l ei sj u s tb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , w ep r o p o s e da n e wt h e o r yo fs u n l i g h ti n t e l l i g e n tt r a c k i n g t h i sd e v i c ec a ng r e a t l yi m p r o v et h e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fs o l a re n e r g y n o to n l yh a st h eh u g ev a l u ei ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb u ta l s ob r o a dm a r k e tp r o s p e c t t h i sa r t i c l ei sb a s e do na r m 9w i t hw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m i nt h e a s p e c to fh a r d w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so f t h ec o m p o s i t i o n a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i si n t e l l i g e n ts y s t e m c o m p l e t e l yf i n i s h e dt h ed e s i g no f c a n l e r as e n s o rm o d u l e ，m o t o rc o n t r o lm o d u l ea n dd e b u gi n t e r f a c em o d u l e t h e c u s t o m i z a t i o na n dp o r t i n go fw i i l c es y s t e ma n dd r i v e rd e v e l o p m e n tw a sg i v e ni n s o f t w a r ea s p e c t t h r o u g ht h ea b o v ew o r k , t h es y s t e mc a na c c u r a t e l yc a l c u l a t et h ea l t i t u d ea n g l e a n da z i m u t ha n g l eo ft h es u ni na n yt i m ea n da n yp l a c e m a k i n gt h es o l a rp a n e l sa n d o t h e ru t i l m a t i o n so fs o l a re n e r g ye q u i p m e n ta l w a y si nd i r e c ts u n li g h t , w h i c ht h e e f f i c i e n c yo fs u n l i g h tu t i l i z a t i o nw i l lr e a c hu pt o3 0 o rm o r e g r e a t l ys a t i s f y i n gt h e n e e d so ft h ep o r t a b l ei n t e l l i g e n ts u n l i g h tt r a c k i n ge q u i p m e n t l 鯽w o r d s ：a r m 9 ，i n t e l l i g e n tt r a c k i n g ， w i n c eo s ，e m b e d e d t e c h n o l o g y 學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) ( 一)本為著眼于綠色能源的開發(fā)和利用，能大大提高太陽能資 源的利用率。具有廣闊的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 ( 二)本文采用圖像處理技術(shù)，提出了一種新的計(jì)算太陽高度角 和方向角的原理。 ( 三)基于嵌入式技術(shù)，以$ 3 c 2 4 4 0 為開發(fā)板，w i n c e 為操作系 統(tǒng)，控制更加精確。 ( 四)雙軸跟蹤，能提高太陽能利用率達(dá)到3 5 。并且沒有累計(jì) 誤差，不受時(shí)間和地域的限制。設(shè)計(jì)了一套完整的智能追光系統(tǒng)。 第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題的研究背景和意義 1 1 1 人類面l 臨的能源現(xiàn)狀 現(xiàn)在人類正在處于一個(gè)高度發(fā)達(dá)的工業(yè)社會(huì)，高速發(fā)展的工業(yè)為我們提供 了越來越多的舒適和便利。但是，由于世界資源的過渡采伐，世界能源不足問 題越來越突出。根據(jù)經(jīng)濟(jì)部能源委員會(huì)資料顯示，在技術(shù)與成本的限制下，預(yù) 計(jì)世界石油蘊(yùn)藏量只可再開采四十年，天然氣可開采六十二年，煤炭可開采二 百二十七年，而核能發(fā)電的燃料源自鈾礦，預(yù)計(jì)尚可開采七十七年，考慮到核 燃料回收再處理后可以重復(fù)運(yùn)用，其使用年數(shù)可增加五十倍，也就是可以達(dá)到 約三干八百年。 正在世界能源蘊(yùn)藏量不斷減少的同時(shí)，隨著現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科技 事業(yè)的急速發(fā)展，各國對(duì)能源的消耗量卻在顯著的增加，年增長(zhǎng)率達(dá)到5 - 6 ， 就是說十幾年就要翻一番。人類進(jìn)入二十世紀(jì)以來，世界能源消耗量在成倍的 增加。進(jìn)入二十一世紀(jì)之后，能源供應(yīng)更加緊張，再加上世界的能源分布不平 衡，必然導(dǎo)致能源危機(jī)的不斷發(fā)生阻引。 更加應(yīng)該引起我們注意的是這些化石燃料燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳和含氧 硫化物，直接導(dǎo)致地球氣溫升高和酸雨的產(chǎn)生，生態(tài)環(huán)境正在急劇惡化，這些 問題嚴(yán)重影響著人類的生存和發(fā)展。所以越來越多的人開始注意到，大力開發(fā) 和利用可再生能源、走可持續(xù)發(fā)展之路已經(jīng)追在眉睫。 1 1 2 太陽能資源的優(yōu)勢(shì) 太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔可再生能源。據(jù)記載，人類利用太 陽能已有3 0 0 0 多年的歷史h 1 ，但是長(zhǎng)期以來一直發(fā)展緩慢。隨著二十世紀(jì)能源 危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境污染的加劇，太陽能資源以其巨大的優(yōu)勢(shì)迎來了太陽能利用 的新高潮。 ( 1 ) 普遍性1 太陽能資源處處都可以利用，沒有地域的限制，無論陸地或 海洋，無論高山或島嶼，處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運(yùn)輸。 這對(duì)緩解運(yùn)輸壓力，解決偏遠(yuǎn)山區(qū)或海上以及島嶼的能源供應(yīng)有著獨(dú)特的優(yōu)越 性。 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 儲(chǔ)量巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能為1 7 8 億千瓦，約相 當(dāng)于1 3 0 萬億噸煤，是全世界目前發(fā)電量的8 萬倍。在當(dāng)今世界可開發(fā)能源中， 其總量最大。 ( 3 ) 無污染性：太陽能資源分為太陽能光伏和太陽熱能。光伏板組件是一 種暴露在陽光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料制成的 薄身固體光伏電池組成。而太陽熱能科技將陽光聚合，并運(yùn)用其能量產(chǎn)生熱水、 蒸氣和電力。所以太陽能不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、走可持 續(xù)發(fā)展之路顯得更加可貴。 ( 4 ) 長(zhǎng)久性：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百 億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說太陽的能量是 用之不竭的。 ( 5 ) 經(jīng)濟(jì)性：隨著科技的進(jìn)步，太陽能應(yīng)用成本已經(jīng)大大下降，而且隨著 人們對(duì)太陽能資源的認(rèn)識(shí)逐步加強(qiáng)，許多專家和學(xué)者一致贊同太陽能是二十一 世紀(jì)最清潔、最廉價(jià)的能源呻1 。 因此太陽能資源是可替代能源中最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的 清潔能源。雖然太陽能還有分散性、不穩(wěn)定性、效率低和成本高的缺點(diǎn)，但是 太陽能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必然成為未來最理想的綠色能源。 1 1 3 我國太陽能資源的分布情況 我國幅員遼闊，太陽能輻射資源比較豐富。據(jù)估算，我國陸地表面每年接 收到的太陽輻射能量為5 x 1 0 1 9 k j ，約相當(dāng)于1 7 0 0 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。全國各地太陽 能年輻射總量達(dá)3 3 5 0 8 3 7 0 m j c m 2 a 中值為5 8 6 0 m j c m 2 a 盯1 。但是由于我國 氣候、地理環(huán)境條件的影響，太陽能資源分布具有明顯的地域性。 我國華北，華東大部，東北部分地區(qū)以及西部地區(qū)的年日照時(shí)間大于 2 0 0 0 h ，輻射總量高于5 8 6 0 m j c m 2 a ，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)， 面積較大，約占全國總面積的2 3 以上，具有利用太陽能的良好條件。西南以 及華南大部地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價(jià)值1 。 1 1 4 本課題的研究意義 本課題研究一種太陽光自動(dòng)追蹤裝置，它能夠大大提高太陽能的利用率。 該裝置根據(jù)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的太陽方位自動(dòng)調(diào)節(jié)采光板的角度，進(jìn)而對(duì)太 陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。使采光板始終垂直于太陽光的入射方向，最大限度的利用太 陽能資源。這種裝置符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的思想，對(duì)提高太陽能的利用率有著 非常重大的意義，具有巨大的環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 第一章緒論 1 2 太陽能資源的開發(fā)和利用 1 2 1 太陽能資源的開發(fā) 我國早在3 0 0 0 年前的西周時(shí)期就利用“陽隧”取火，“陽隧”實(shí)際上就是凹面 鏡。但是將太陽能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，只有3 0 0 多年的歷史。2 0 世 紀(jì)的1 0 0 年間，太陽能科技的發(fā)展大體經(jīng)歷了七個(gè)歷史階段n 訓(xùn)。我國是在2 0 世紀(jì)5 0 年代開始對(duì)太陽能利用進(jìn)行研究。7 0 年代中期以來，隨著世界興起的 太陽能研究和利用熱潮，我國太陽能利用的研究項(xiàng)目范圍不斷擴(kuò)大、水平不斷 提高。但是由于太陽能資源的分散性和不穩(wěn)定性，致使太陽能的利用率很低。 因此如何更充分提高太陽能的利用率成為廣大研究人員急需解決的問題u 。本 課題也正是針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問題提出來的。 1 2 2 太陽能資源的利用方式 目前，人類直接利用太陽能還處于初級(jí)階段，主要有太陽能暖房、太陽灶、 太陽能熱水器、太陽灶、太陽能光電技術(shù)等方式n 剁。雖然我國太陽能開發(fā)利用 在許多方面取得很大進(jìn)展，但發(fā)展仍然參差不齊。 ( 1 ) 太陽能暖房：因寒冷地區(qū)冬季氣溫非常低，室內(nèi)必須有暖氣設(shè)備，為 了節(jié)省煤炭資源，便利用太陽能取暖，這種方法已經(jīng)使用多年而且越來越普遍。 其過程為太陽輻射熱傳導(dǎo)，經(jīng)收集器內(nèi)的工作流體將熱能儲(chǔ)存，再供熱至暖房 n 引。利用這種方式可以種植花卉、蔬菜、瓜果、培育優(yōu)良品種、療養(yǎng)院用來日 光浴室進(jìn)行醫(yī)療等等。 ( 2 ) 太陽能熱水器：早期最廣泛的太陽能應(yīng)用是用于將水加熱。目前世界 各地的太陽能熱水裝置達(dá)數(shù)百萬種。它的主要原件有收集器、儲(chǔ)存裝置和循環(huán) 管路三部分。按照循環(huán)方式的不同可以分為自然循環(huán)式和強(qiáng)制循環(huán)式兩種。我 國是目前世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，技術(shù)已屬國際先進(jìn)水平，但是成 本有待進(jìn)一步降低。 ( 3 ) 太陽能發(fā)電：就是直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，并將電能存儲(chǔ)在電容器 中，以備需要時(shí)使用，這也是人類大規(guī)模利用太陽能的希望所在。目前世界上 太陽能電池仍以晶體硅電池為主。我國從1 9 5 8 年就開始研制太陽能電池，在國 際上具有一定影響力，但是在生產(chǎn)成本、效率水平、成品率以及工藝的穩(wěn)定性 等方面與國外差距較大，太陽能光電利用有待進(jìn)一步開發(fā)n 引。 ( 4 ) 太陽能集熱器：是太陽能熱系統(tǒng)中，接受太陽輻射并向傳熱工質(zhì)傳遞 熱量的裝置。按傳熱工質(zhì)可以分為液體集熱器和空氣集熱器。 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 除此之外還有太陽能干燥技術(shù)，我國在這方面的研究與應(yīng)用發(fā)展較晚，7 0 年代全國僅有7 座太陽能干燥器。太陽灶理論研究已經(jīng)初步成熟。我國研制出 的太陽灶種類繁多，已經(jīng)推廣使用的太陽灶達(dá)1 4 萬臺(tái)，居世界之首，在國際上 產(chǎn)生較大影響。但是太陽能熱發(fā)電、太陽能海水淡化、太陽能制冷和空調(diào)、高 溫太陽爐等技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展n 制。 1 3 太陽能跟蹤裝置的種類 地球和太陽的距離大約為1 5 億公里，而地球的直徑大約1 3 萬公里，所以 可以認(rèn)為太陽光以平行線到達(dá)地球表面，所以及時(shí)調(diào)節(jié)太陽能采集器的角度使 其處于太陽光的直射下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的實(shí)時(shí)追蹤。實(shí)驗(yàn)證明，在相同條件 下，采用自動(dòng)追蹤設(shè)備比固定裝置太陽能的利用率可以提高3 5 n 引。 太陽能跟蹤器主要有以下兩種分類方式。 1 3 1 按追蹤方式 太陽能跟蹤器按照追蹤方式可以分為光電追蹤方式和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方 式兩種。前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的控制系統(tǒng)。 光電追蹤是利用光敏傳感器。這些傳感器按照一定的規(guī)則排放在遮光板周 圍，當(dāng)陽光的角度發(fā)生變化時(shí)，遮光板的陰影發(fā)生偏移，受到陽光照射的傳感 器和處于陰影中的傳感器就會(huì)產(chǎn)生差值電流，然后經(jīng)過處理器比較，分析出太 陽的方向，再由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，使追蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽完成追蹤n 引。這種方 式靈敏度高，而且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡系統(tǒng)根據(jù)追蹤系統(tǒng)的軸數(shù)可以分為單軸追蹤和雙軸追蹤兩 種。 美國的b l a c k a c e 在1 9 9 7 年研制了單軸跟蹤器，這種跟蹤裝置根據(jù)赤道坐 標(biāo)系下太陽運(yùn)行的原理完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，但南北方向通過手動(dòng)調(diào)節(jié)， 接收器的接收率提高了1 5 n 引。采用這種追蹤方式，一天之中只有正午時(shí)分太 陽光與采光器相垂直，而在其它時(shí)間光線都是傾斜照射的。 如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠追蹤太陽就可以獲得更多的 太陽能，全追蹤即雙軸追蹤就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。1 9 9 8 年美國加州成 功的研究了a t m 雙軸跟蹤器，使太陽光接收率進(jìn)一步提高。 1 3 2 按傳感器元件 ( 一) 機(jī)械式跟蹤器 第一章緒論 這是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，可以有單軸和雙軸兩種形式。這種跟蹤裝置 通過電機(jī)以恒定的速度帶動(dòng)太陽能采集器運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽運(yùn)行軌跡的跟蹤 乜。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng) 也十分簡(jiǎn)單，但主要缺點(diǎn)是跟蹤精度不夠。 ( - - ) 壓差式跟蹤器 采用這種跟蹤裝置時(shí)，太陽能采集器南北放置。為了得到太陽的角度信息， 在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器，根據(jù)太陽偏移時(shí)空氣管 因受陽光照射不同產(chǎn)生的壓差帶動(dòng)采光板跟蹤太陽池1 。這種跟蹤器的靈敏度非 常高，清晨太陽剛剛升起三到五分鐘，太陽能采集器就可以對(duì)準(zhǔn)太陽。 這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用很廣。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作費(fèi)用低。缺點(diǎn)是剛 度低，沒有足夠的工作空間，且一般只用于單軸追蹤。 ( 三) 控放式太陽跟蹤器 這種方式原理復(fù)雜而且只能對(duì)太陽方位角進(jìn)行單向追蹤。它是在太陽能采 集器西側(cè)安放一偏重，作為其向西轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟蹤裝置對(duì) 此動(dòng)力的釋放加以控制，使太陽能采集器隨著太陽的西偏而轉(zhuǎn)動(dòng)心引。其優(yōu)點(diǎn)是 實(shí)時(shí)跟蹤，成本低廉，可以不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。主 要缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)只能做單軸跟蹤，而且存在跟蹤過度、剛度較低的問題。不適應(yīng) 野外惡劣的環(huán)境。 ( 四) 計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)跟蹤裝置 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多國家研發(fā)出了計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)太陽跟蹤器。 這種跟蹤裝置具有全天候、全自動(dòng)、跟蹤精度高、無累積誤差、不繞線的優(yōu)點(diǎn)， 可以滿足太陽輻射觀測(cè)的需要，大大減輕觀測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度1 。 ( 五) 用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽跟蹤裝置 除了在太陽能電池板以及其他太陽能采集器的用途以外，太陽跟蹤裝置還 經(jīng)常用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽的跟蹤觀察。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研， 由于精度非常高，所以造價(jià)也非常昂貴，因與本課題所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域不同， 所以不再介紹。 1 4 嵌入式技術(shù)的發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)在i e e e ( 國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)) 中的標(biāo)準(zhǔn)定義是：a n e m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e st oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t 。但是通用的定義為：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心， 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，應(yīng)用于對(duì)功能、可靠性、成本、體 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)晗副。 一般地，我們把嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分：嵌入式處理器、嵌 入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。如圖1 1 所示。 圖l - l嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以單片機(jī)( s c m ) 、微控制器( m c u ) 、系統(tǒng) 級(jí)芯片( s o c ) 為代表的三個(gè)階段幢制。 1 4 1 嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。 范圍極其廣闊。嵌入式處理器一般分成以下四類。 ( 一) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ：典型代表是單片機(jī)， 就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中，主要完成信號(hào)控制的功能。 ( 二) 嵌入式微處理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ：微處理器的最大特點(diǎn) 是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 ( 三) 嵌入式d s p 處理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ：獨(dú)特的微處理 器，該器件是以數(shù)字信號(hào)來處理大量的信息。它的工作原理首先是接收模擬信 號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字“0 ”或“l(fā) ”，最后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改和刪除等處理。 ( 四) 片上系統(tǒng)( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) ：在單個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的 系統(tǒng)，對(duì)所有或部分必要的電子電路進(jìn)行包分組的技術(shù)心引。 第一章緒論 1 4 2 嵌入式外圍設(shè)備 嵌入式外圍設(shè)備是指中心控制部件以外，用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯 示等輔助功能的其他部件，主要包括以下幾類。 ( 一) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘：用來提供可靠的時(shí)鐘信息，包括時(shí)分秒和年月日。即使系 統(tǒng)處于關(guān)機(jī)或停電狀態(tài)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘通過后備電池供電也能繼續(xù)正常工作。 ( 二) 存儲(chǔ)設(shè)備：提供執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需空間，分為r a m 和r o m 兩 種。 ( 三) 輸入設(shè)備：向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。是計(jì)算機(jī)與用戶或其他 設(shè)備通信的橋梁，分為小型鍵盤和觸摸屏兩種。 ( 四) 輸出設(shè)備：是人與計(jì)算機(jī)交互的一種部件，用于數(shù)據(jù)的輸出，分為l e d 和l c d 兩種。 ( 五) 外設(shè)接口：就是連接外設(shè)的接口，分為并行接口和串行接口。 ( 六) 通訊接口：是指中央處理器和標(biāo)準(zhǔn)通信子系統(tǒng)之間的接口，分為有線 通信接口和無線通信接口乜蚴1 。 1 4 - 3 嵌入式應(yīng)用軟件 它是針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，而且基于一種固定的硬件開發(fā)平臺(tái)的軟件， 可以用來實(shí)現(xiàn)客戶預(yù)先設(shè)定的任務(wù)。因?yàn)橛脩舻娜蝿?wù)存在很大的差異，所以有 些嵌入式應(yīng)用軟件需要特定嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式應(yīng)用軟件不僅要求 準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，而且還要盡可能的進(jìn)行 優(yōu)化，以減少系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本啪1 。 1 4 4 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源， 完成進(jìn)程管理、處理器調(diào)度、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、中斷處理等任務(wù)，而且與 通用操作系統(tǒng)比它還有內(nèi)核小、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)小而精、使用多任務(wù)操作系統(tǒng)、 有專門的開發(fā)配套工具等特點(diǎn)。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3 0 年的歷史，大致經(jīng)歷了無操作系統(tǒng)階段、簡(jiǎn)單 操作系統(tǒng)階段、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段和面向i n t e r n e t 四個(gè)階段舊1 。 目前可選擇的成熟的操作系統(tǒng)有很多，例如l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、 掣c o s 等。其中w i n d o w sc e 操作系統(tǒng)具有豐富的硬件驅(qū)動(dòng)程序，多媒體功能 極其強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性也較為突出，支持x 8 6 、a r m 、m i p s 等架構(gòu)的c p u 。所以 本課題選取的是w i n d o w sc e 操作系統(tǒng)。 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 勢(shì)。 在市場(chǎng)和技術(shù)的雙重推動(dòng)下，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)未來的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下趨 ( 一) 互聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)。 ( 二) 小尺寸、微功耗和低成本。 ( 三) 提供精巧的多媒體人機(jī)界面。 ( 四) 無所不在的智能。 1 5 本文的研究?jī)?nèi)容 本文所研究的太陽能自動(dòng)追光系統(tǒng)是以$ 3 c 2 4 4 0 芯片為處理器，以w i n c e 為操作系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)裝置主要由電路部分和機(jī)械部分兩大部分組 成。但是機(jī)械裝置不是本論文討論重點(diǎn)，所以本論文主要對(duì)電路的硬件和軟件 兩大部分進(jìn)行討論。具體研究如下幾方面的內(nèi)容。 ( 一) 提出一種新的計(jì)算太陽高度角和方位角的原理，采用圖像處理技術(shù)， 原理簡(jiǎn)單，計(jì)算精確。 ( 二) 雙軸跟蹤，并采用嵌入式技術(shù)對(duì)采光板實(shí)時(shí)調(diào)整，追光更加精確，沒 有累計(jì)誤差，并不受時(shí)間和地域的限制。 ( 三) 硬件電路包括攝像頭電路，步進(jìn)電機(jī)電路以及調(diào)試接口電路。 ( 四) 軟件部分包括操作系統(tǒng)的定制，驅(qū)動(dòng)電路的編寫。 第二章太陽光智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 第二章太陽光智能追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 在本課題研究過程中，為了開發(fā)出能實(shí)時(shí)跟蹤太陽光的裝置，首先必須解 決如何追光，所以本章首先介紹如何確定太陽和地球的相對(duì)位置，這是追光的 前提。為了便于描述，我們的追蹤裝置是對(duì)太陽能電池板為例進(jìn)行的論述。 2 1 實(shí)驗(yàn)原理 在地平坐標(biāo)系上，我們規(guī)定地球上某一觀測(cè)點(diǎn)作為原點(diǎn)，用o 來表示，即 太陽能電池板的位置。對(duì)于原點(diǎn)o ，某一時(shí)刻該位置相對(duì)于太陽的高度角和太 陽方向角可以分別用a 、盧來表示。只要確定了太陽高度角和方向角就能準(zhǔn)確 確定地球上任意一點(diǎn)與太陽之間的相對(duì)位置，進(jìn)而調(diào)整太陽能電池板所在平面， 使其垂直于太陽光線來達(dá)到最大限度利用太陽能的目的。 為了正確找到任意時(shí)刻和時(shí)間的太陽高度角和方向角，我們?cè)谒矫嫔洗?直立一個(gè)標(biāo)桿，則標(biāo)桿在陽光下必然形成影子，以物體的底部位置為原點(diǎn)，以 正南方向?yàn)閤 軸，正東方向?yàn)閥 軸建立坐標(biāo)系，如圖2 1 所示。 水平面垂直方向 圖2 1 實(shí)驗(yàn)原理圖 面 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 水平面坐標(biāo)系下，影子與y 軸的夾角正是太陽方位角口。而高度角a 的大 小又可以通過預(yù)先測(cè)量的物體高度與影子的長(zhǎng)度計(jì)算求得。 設(shè)水平面上垂直物體標(biāo)桿為a o ，形成影子b o ，建立直角坐標(biāo)系。在坐標(biāo) 系上我們可以通過作圖和反三角變換可以很方便的得到高度角和方向角的大 小。 a ：咖絲、口：a r c t a n 絲 ( 2 i ) b o o c 2 2 傳感器部分的設(shè)計(jì) 傳感器采用攝像頭采集日影圖像，示意如圖2 - 2 所示。 玻璃外 底座 圖2 - 2 傳感器設(shè)計(jì)圖 傳感部分主要有四部分組成：底座、指針、玻璃罩和攝像頭。安裝時(shí)攝像 頭支座與指針組成的直線正對(duì)當(dāng)?shù)氐恼险狈较颉．?dāng)陽光照射過來時(shí)，指針 形成的影子正好被攝像頭捕捉到，這樣就能把圖像信息傳遞給處理器處理。底 座可以固定在平坦的地面上，玻璃罩的作用是防止塵土弄臟攝像頭。 第二章太陽光智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 2 3 計(jì)算高度角和方向角 由攝像頭拍攝的圖像如2 3 所示。 圖2 - 3 傳感器采集的圖像 為了能更精確的測(cè)量標(biāo)桿影子的長(zhǎng)度，我們?cè)跇?biāo)桿頂端增加了一個(gè)球形部 分。圖像首先經(jīng)過去灰處理，再經(jīng)過二值化處理之后的圖如2 - 4 。 圖2 - 4 二值化后的圖像 再經(jīng)過去噪處理之后的圖像數(shù)據(jù)存入一個(gè)二維數(shù)組，用數(shù)字“l(fā) ”和“0 ”表示。 “1 ”代表背景，“0 ”代表影子。本次試驗(yàn)中最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于找到圖2 - 1 中的點(diǎn)b 。 因?yàn)槲覀兪孪仍O(shè)定視野中正中間的點(diǎn)為原點(diǎn)o 。因此只要找到了點(diǎn)b ，高度角 和方向角就會(huì)很輕易的求得了。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的球形部分的中心就是b 點(diǎn)，這 樣我們掃描數(shù)組中每一個(gè)刀刀( 刀為奇數(shù)) 的矩陣，計(jì)算每個(gè)矩陣的行和列的 數(shù)值的和，和最小的矩陣的正中間點(diǎn)我們視為圖2 1 中的點(diǎn)b 。 在對(duì)傳感器采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行二值化處理時(shí)，我們采取浮動(dòng)閾值法， 這是因?yàn)榭紤]到環(huán)境光線對(duì)傳感器影響很大，所以設(shè)置系統(tǒng)的圖像閩值踩用以 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 下方式進(jìn)行分割1 ： 幾力= 器鬈囂 c 2 乏， 其中z ，( 五力為原始數(shù)據(jù)，以五力為二值化后的數(shù)據(jù)，溈圖像閾值。 2 4 采光板的角度調(diào)整原理 前后兩次計(jì)算得到的高度角和方向角的差值是太陽能電池板角度調(diào)整的判 斷條件。在本系統(tǒng)中，我們可以采取兩種方法進(jìn)行控制。 1 分布律法 我們以高度角為例，其原理是這樣的：我們假設(shè)前后兩次測(cè)得的高度角分 別為、a ，差值為a a ( a a 可以為正，也可以為負(fù)) 。然后依據(jù)差值a a 的 分布情況對(duì)太陽能電池板角度的調(diào)整進(jìn)行分類，我們把它分為如下公式的五種 情況m 1 ： q 砷= 1 9 la a s l 0 2s l a a s 2 bs 2 a a 3 見3 a s 4 島s 4 a a 5 ( 2 3 ) 其中研，、是當(dāng)前采光板的角度，1 9 1 俠是調(diào)整后的角度。 2 反饋法 由于機(jī)構(gòu)的方位軸和俯仰軸上都安裝有光電編碼器反饋系統(tǒng)，我們就可以 很容易的檢測(cè)得到其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息。原理是這樣的：假設(shè)計(jì)算得到的方向角 和高度角差值分別為a a 、p ( a 、盧可以為正，也可以為負(fù)) 。由正負(fù)號(hào) 我們可以控制電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，然后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到得到反饋系統(tǒng)的 停止信號(hào)為止。 反饋系統(tǒng)的光電編碼器可以很精確的計(jì)算太陽能電池板轉(zhuǎn)過的角度，如果 兩個(gè)角度恰好為a a 和口時(shí)，就會(huì)輸出停止信號(hào)，通知電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方 法比前一種控制更加精確，且不會(huì)出現(xiàn)誤差積累的情況。 為了得到準(zhǔn)確的信息，每種方法我們都可以多次測(cè)量取平均值。以此來保 第二章太陽光智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 證步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于兩相電機(jī)互不干擾，所以兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn) 行。 2 5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本文采用的是地平坐標(biāo)系的跟蹤方法，它是根據(jù)當(dāng)?shù)厝沼坝?jì)算出此時(shí)太陽 的高度角和方位角，從而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電池板跟蹤太陽的目的。這種方法 是雙軸跟蹤，所以采光效率更高。跟蹤裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖2 5 所示刪利。 底座 圖2 5 太陽能跟蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 2 安裝時(shí)處于水平方向的底座正對(duì)當(dāng)?shù)氐哪媳狈较颉?x 、y 兩相步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后輸出力矩更大，轉(zhuǎn)動(dòng)角度更加精確 經(jīng)過傳送帶可以帶動(dòng)方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)軸上面均帶有光電編碼器， 處理器以此來檢測(cè)兩個(gè)軸的位置，進(jìn)而確定太陽能電池板的方向。 跟蹤器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移的時(shí)候，控制器發(fā)出控 制信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速箱經(jīng)過傳送帶帶動(dòng)兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。 最終在x 、y 兩相步進(jìn)電機(jī)的共同工作下實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。 1 3 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 6 本章總結(jié) 本章闡述的內(nèi)容是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。首先分析了本課題的實(shí)驗(yàn)原理， 提出了一種新的可行辦法，其次分析了具體實(shí)施的細(xì)節(jié)，包括機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 和傳感器部分的設(shè)計(jì)等。本章從宏觀上描述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。下兩章將從電 路角度分別對(duì)硬件和軟件進(jìn)行分析。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 太陽能智能追光系統(tǒng)是一整套系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)完成工作的。前一章主要講了 本實(shí)驗(yàn)的原理和設(shè)計(jì)思想，本章將介紹硬件電路的設(shè)計(jì)。 3 1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案 硬件電路主要有五大模塊組成：中央處理器、攝像頭模塊、存儲(chǔ)器模塊、 調(diào)試接口模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3 - l 所示。 圖3 1 系統(tǒng)硬件框圖 系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，無誤后讀取系統(tǒng)時(shí)間判斷是否是白天，并讀 取攝像頭圖像信息判斷光照強(qiáng)度是否適當(dāng)。如果是黑夜，或者陰天，系統(tǒng)進(jìn)入 休眠狀態(tài)以節(jié)省電能。如果是在早上6 ：0 0 到晚上1 8 ：0 0 之間且光照強(qiáng)度足夠， 進(jìn)入系統(tǒng)主程序。中央處理器會(huì)每?jī)蓚€(gè)小時(shí)讀取一次攝像頭信息，判斷此時(shí)太 陽高度角、方位角。然后控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使采光板實(shí)時(shí)處于陽光直射下 到了晚上光照強(qiáng)度很弱，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到第二天早上系統(tǒng)能夠自動(dòng)喚醒。 主程序流程圖如圖3 2 所示。 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 - 2 系統(tǒng)主程序流程 下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。 3 2 $ 3 c 2 4 4 0 介紹 本課題采用的是由飛凌嵌入式技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款基于a r m 9 的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，其布局和走線經(jīng)過專業(yè)人士精心設(shè)計(jì)，工作非?？煽?，可 穩(wěn)定運(yùn)行在4 0 0 m h z ，接口豐富，功能強(qiáng)大，適用于各種手持設(shè)備，消費(fèi)電子 和工業(yè)控制設(shè)備的開發(fā)。具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性 陋馴。o k 2 4 4 0 開發(fā)板硬件資源非常豐富，開發(fā)板及其硬件資源如圖3 3 、3 4 所示。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 圖3 - 3 飛凌o k 2 4 4 0 開發(fā)板 圖3 - 4 飛凌o k 2 4 4 0 芯片板硬件組成 3 3 步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì) 3 3 1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)首先要知道機(jī)械和時(shí)間這兩個(gè)要素。機(jī)械要素是指負(fù)載轉(zhuǎn) 矩t t 和負(fù)載慣量j l ，時(shí)間要素是指加速時(shí)間t l 和以即從力開始加速到功，運(yùn)行 時(shí)間幻。 在本實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)閮蓚€(gè)步進(jìn)電機(jī)安裝上了不同減速比的減速箱，這樣可 以增加電機(jī)的輸出力矩。 實(shí)際使用時(shí)，由于考慮到裝置的摩擦力很小，控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 要求不高，因此在參考了步進(jìn)電機(jī)廠家的相關(guān)資料后，決定選用細(xì)分后步距角 為0 0 4 5 0 系列的步進(jìn)電機(jī)。 在查閱了步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)品參數(shù)資料后，考慮到所選用的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的特 性通常留有1 5 2 倍的余量，所以本系統(tǒng)選用常州雙杰電子有限公司生產(chǎn)的 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 7 b y g h 8 4 0 4 、4 2 b y g h 5 4 0 3 兩種步進(jìn)電機(jī)。表3 1 列出兩種電機(jī)的主要相關(guān) 參數(shù)。 表3 i 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 型號(hào)步距角電流電阻電感靜力矩引線重量 5 7 b y g h 8 4 0 41 8 03 o ao 5 q1 8 m h1 6 6 n m4 1 0 5 0 9 4 2 b y g h 5 4 0 31 8 01 8 a1 2 q1 8 m h0 4 9 n m4 3 4 0 9 圖3 5 為電機(jī)外型。 3 3 2 步進(jìn)電機(jī)電路 黔 圖3 5 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3 - 6 所示。 控制器部分是我們上面講到的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 ，其標(biāo)稱工作頻率 4 0 0 m h z ，運(yùn)算速度快、性能優(yōu)越，是一款低功耗，高性價(jià)比的工程用處理器。 在嵌入式開發(fā)中應(yīng)用比較廣泛，也是太陽能自動(dòng)追光裝置高性能的保證。 光電編碼器可以精確的反饋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和當(dāng)前的相對(duì)位置，系統(tǒng)用此確定 方向軸和俯仰軸的定位。兩個(gè)光電編碼器分別安裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)軸上，在太陽能電 池板旋轉(zhuǎn)過程中，為控制系統(tǒng)提供三相光電編碼器返回值，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周，a 、 b 相返回1 0 0 0 個(gè)脈沖信號(hào)，z 相返回一個(gè)脈沖信號(hào)，三相脈沖返回值反饋給 c p u ，對(duì)轉(zhuǎn)軸位置的反饋精度可達(dá)0 3 6 0 ，設(shè)計(jì)中采用c p l d 的計(jì)數(shù)器單元 c o u n t l 到c o u n t 4 分別對(duì)兩相光電編碼器的a 相和z 相進(jìn)行計(jì)數(shù)操作h 。 c p l d 模塊采用a l t e r a 公司m a xi i 系列的e p m l 2 7 0 芯片。e p m l 2 7 0 成本 低、質(zhì)量?jī)?yōu)異、功耗低，適合接口交接、i o 擴(kuò)展、器件配置等。c p l d 為整個(gè) 追光系統(tǒng)提供了4 個(gè)計(jì)數(shù)器和2 個(gè)定時(shí)器1 。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) e n 呵t 1 6 c o u n t l wi ，1 。t 1 光 a 相 1 l 光電 c o u n t 2i n tl 一 一 i 耦 b 相 編碼 e i n t l 8 i 乙哪ul 器l 計(jì)數(shù)器 a 相 e i n t 8 e o u n t 3 一礬t c o u n t 3 光光電 e i n t l o c o u n t 4 i n t耦 b 相 編碼 c o u n t 4 器2 控制器 d a t c b u s s 3 c 2 4 4 0 e p m l 2 7 0 n g c s 4 。 t i m e li n t e i n t l 4 t i m e l x 相步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器 t i m e 2i n t e n 呵t 1 5 t i m e 2 y 相步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器 定時(shí)器 圖3 _ 6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖 3 4 攝像頭傳感器的設(shè)計(jì) o v 9 6 5 0 是新近推出的一款低電壓c m o s 彩色圖像傳感器，1 3 0 萬像素， 通過s c c b 接口設(shè)置內(nèi)部寄存器。支持s x g a ，v g a ，q v g a ，q q v g a ，c i f ， q o f ，q q c i f 等多種圖像輸出格式，包含自動(dòng)曝光控制，自動(dòng)增益控制，自 動(dòng)自平衡等功能，最大速率在s x g a 格式時(shí)為1 5 f p s ，在v g a 格式時(shí)為3 0 f p s “利。 一 c 一 一 1 一 q 一 一一， 。) 圖3 7c a m i f 硬件接口 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 7 為c m o s 9 6 5 0 攝像頭與$ 3 c 2 4 4 0 硬件接口設(shè)計(jì)框圖，其中對(duì)攝像頭 的控制部分中，我們只需將i i c 總線的s d a 和s c l 信號(hào)線與控制器相連接即 可川。 3 5 調(diào)試接口設(shè)計(jì) 3 5 1 串口調(diào)試接口 o k 2 4 4 0內(nèi)部集成了 3個(gè) u a r t (u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r ，通用異步收發(fā)器) 接口控制器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)試串 口用于向開發(fā)平臺(tái)輸出調(diào)試信息。串行通信是微計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一種常見的近距離 通信手段，因使用方便，編程簡(jiǎn)單而廣泛使用。u a r t 可以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求或d m a 請(qǐng)求，以便在c p u 和u a r t 之間傳遞數(shù)據(jù)h “。 在程序的調(diào)試過程中，串口起到了非常重要的通信作用，程序在開發(fā)板上 運(yùn)行時(shí)，它可以隨時(shí)在電腦上顯示其運(yùn)行情況，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可以隨 時(shí)通過串口對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，超級(jí)終端界面如圖3 8 所示。 3 5 2j t a g 調(diào)試接口 圖3 8 超級(jí)終端串口調(diào)試界面 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，聯(lián)合測(cè)試行為組織) 是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié) 議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試和系統(tǒng)仿真與調(diào)試。它通常在芯片內(nèi)部封裝了 t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ，測(cè)試訪問接口) ，通過專用的j t a g 測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行測(cè)試m 1 。 2 0 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) j t a g 仿真器連接比較方便，它可以通過現(xiàn)有的j t a g 邊界掃描與a l 洲 c p u 核進(jìn)行通信，屬于完全非插入式( 不占用片上資源) 調(diào)試h 。它無需目標(biāo)存 儲(chǔ)器。在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，我們用下載軟件f l a s hp r o g r a m m e r 將生成的十六 進(jìn)制文件通過j t a g 接口下載到f l a s h 芯片的地址單元里。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，就 可以啟動(dòng)程序了。 2 0 針的j t a g 接口電路如圖3 - 9 所示。 3 6 本章小結(jié) 圖3 - 92 0 針j t a g 接口電路 本章主要闡述了太陽能智能追光系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計(jì)。首先介紹了硬件 電路的總體設(shè)計(jì)，然后分別對(duì)中央處理器、攝像頭模塊、調(diào)試接口模塊和步進(jìn) 電機(jī)模塊這四個(gè)模塊分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。 天津工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章w i n d o w sc e 操作系統(tǒng)的定制和移植 第四章w i n d o w sc e 操作系統(tǒng)的定制和移植 本文選用w i n d o w sc e 操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于系統(tǒng)的組 件可選擇，根據(jù)系統(tǒng)需求和應(yīng)用背景選擇不同的操作系統(tǒng)組件。 4 1 幾種常見的嵌入式操作系統(tǒng) 一般情況下，嵌入式操作系統(tǒng)一般可以分為兩類，一類是面向控制、通信等 領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、a t i 的n u c l e u s 、q n x 系 統(tǒng)軟件公司的q n x