基于太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)導(dǎo)讀:太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)限制器中的處理器，系統(tǒng)通過(guò)限制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電限制、太陽(yáng)能電池電源及市電電源的切換限制以及LED負(fù)載半功率限制等主要功能。0引言太陽(yáng)能是一種清潔的綠色能源,半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源。將LED技術(shù)和太陽(yáng)能技術(shù)相結(jié)合在一起,開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明,是最佳的節(jié)能、環(huán)保組合,是新一代能源和新一代光源的完備結(jié)合。探討開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能LED照明技術(shù)將是世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策,意義重大。本文的探討對(duì)象是太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)限制器中的處理器。系統(tǒng)通過(guò)限制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電限制、太陽(yáng)能電池電源及市電電源的切換限制以及LED負(fù)載半功率限制等主要功能。而限制器是主要依靠處理器的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能的。1系統(tǒng)構(gòu)成太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、蓄電池、系統(tǒng)限制器、LED照明負(fù)載和市電電源5部分組成,系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時(shí),由蓄電池向LED負(fù)載供電,在蓄電池電壓不足時(shí),由市電(備用電源)干脆向LED負(fù)載供電,避開(kāi)了蓄電池電壓不足時(shí)LED負(fù)載不亮的狀況。有了市電作為備用電源,在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)降低蓄電池的容量,降低成本。同時(shí)避開(kāi)了由于利用太陽(yáng)能而導(dǎo)致的市電資源的奢侈,達(dá)到牢靠性和經(jīng)濟(jì)性要求。圖1太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)組成原理圖系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能,但是由于太陽(yáng)能電池的輸出受溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響很大,輸出功率不穩(wěn)定,因而在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度足夠大的時(shí)(白天)須要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存起來(lái),以便在須要照明時(shí)(晚上)向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)中,限制器是其核心部分,系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)限制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的限制和對(duì)蓄電池充放電過(guò)程的管理,以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定牢靠地工作。系統(tǒng)各個(gè)組成部分的主要功能如下:(1)太陽(yáng)能電池。由很多太陽(yáng)能電池組件串、并聯(lián)而成,其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦(Wp),也可達(dá)數(shù)個(gè)兆峰瓦(Wp)甚至更大,組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類(lèi)型的太陽(yáng)能電池組成。一般來(lái)說(shuō),光伏陣列由于多為半導(dǎo)體器件構(gòu)成,其伏安特性具有劇烈的非線(xiàn)性。(2)蓄電池組。蓄電池也稱(chēng)電瓶,是太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。一般是由肯定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成,其容量的選擇應(yīng)與太陽(yáng)能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲(chǔ)存太陽(yáng)能陣列所產(chǎn)生的電能,晚上把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái),供負(fù)載照明運(yùn)用。它的最佳充電電流和放電電流,一般按10h充、放電率計(jì)算。由于蓄電池對(duì)電壓的波動(dòng)具有/緩沖0作用,還可使得負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)牢靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但若運(yùn)用不當(dāng),很簡(jiǎn)潔加速蓄電池的老化,使蓄電池的壽命急劇縮短,造成系統(tǒng)運(yùn)行成本的增加,充、放電電流過(guò)大都會(huì)對(duì)電瓶的壽命有肯定的影響。因此對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行合理規(guī)劃和限制是光伏充電系統(tǒng)中必不行少的環(huán)節(jié)。(3)限制器。限制器的作用是對(duì)太陽(yáng)能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED負(fù)載進(jìn)行總體監(jiān)控。為蓄電池供應(yīng)最佳的充電電流和電壓,同時(shí)愛(ài)護(hù)蓄電池,避開(kāi)過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象的發(fā)生。須要時(shí)完成太陽(yáng)能電池和市電2個(gè)電源之間的轉(zhuǎn)換,保證LED負(fù)載穩(wěn)定牢靠的工作。以處理器為核心的限制器結(jié)構(gòu)可以給系統(tǒng)帶來(lái)極大的可配置型,增加系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。(4)LED照明光源。半導(dǎo)體LED照明光源是系統(tǒng)的重要組成部分。LED應(yīng)保證亮度高,亮度輻射范圍大且勻稱(chēng),所運(yùn)用的白光LED數(shù)量少。限制器中的負(fù)載限制策略和LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)干脆確定了系統(tǒng)的照明效果。因此,須要依據(jù)LED響應(yīng)速度快和低壓直流驅(qū)動(dòng)等特性,選擇合適的驅(qū)動(dòng)方案及限制策略,實(shí)現(xiàn)與蓄電池電壓的匹配,以充分發(fā)揮LED照明的優(yōu)點(diǎn)。(5)市電電源。在出現(xiàn)陰雨天時(shí),蓄電池不能剛好充電,出現(xiàn)蓄電池電壓不足,不能正常向負(fù)載供電時(shí),由開(kāi)關(guān)電源將220V溝通市電變換成低壓直流電,供LED負(fù)載運(yùn)用。限制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為市電電源供應(yīng)了一個(gè)低壓直流電輸入接口。2處理器需求分析限制器是系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)工作過(guò)程通過(guò)它進(jìn)行管理和限制。系統(tǒng)通過(guò)限制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電限制、太陽(yáng)能電池電源及市電電源的切換限制以及LED負(fù)載半功率限制等主要功能。而處理器又是限制器的核心。其負(fù)責(zé)依據(jù)程序指揮限制器中元器件實(shí)現(xiàn)限制器的上述功能。在此設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)供街道和住宅小區(qū)照明運(yùn)用,設(shè)計(jì)限制器中的處理器具有如下功能:(1)支持5V直流系統(tǒng)工作電壓;(2)可供應(yīng)輸出接口,限制狀態(tài)指示燈或顯示屏指示工作狀態(tài);

(3)可供應(yīng)輸入接口,接受外部按鍵輸入;(4)可限制大功率MOS管支持最大至9A的充放電電流;(5)可供應(yīng)直流、脈沖兩種充電方式的限制;(6)可精確計(jì)時(shí)以供應(yīng)深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能;(7)可接收一路A/D轉(zhuǎn)換器指示,能檢測(cè)蓄電池的電壓,對(duì)蓄電池的充、放電過(guò)程進(jìn)行限制,并當(dāng)蓄電池電量不足時(shí),自動(dòng)切換到市電電源供電;(8)可接收另一路A/D轉(zhuǎn)換器指示,能檢測(cè)太陽(yáng)能電池的電壓,自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式;(9)可供應(yīng)運(yùn)算指令以計(jì)算各輸入信號(hào)關(guān)系推斷系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài);(10)可供應(yīng)跳轉(zhuǎn)指令以使限制器在各狀態(tài)間切換;(11)可暫存狀態(tài)標(biāo)記,以供處理器智能推斷狀態(tài);(12)低功耗設(shè)計(jì)以提高限制器在系統(tǒng)中的工作效率;依據(jù)以上需求給出處理器的設(shè)計(jì)目標(biāo):采納精簡(jiǎn)指令集設(shè)計(jì);采納流水線(xiàn)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低功耗;具有寄存器堆;具有IO接口;具有PWM功能模塊;具有定時(shí)器模塊。3指令集設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中,處理器要對(duì)AD以及按鍵的輸入量進(jìn)行處理。這些輸入數(shù)據(jù)位寬小且處理過(guò)程為常規(guī)運(yùn)算,不須要進(jìn)行運(yùn)用高級(jí)數(shù)學(xué)算法進(jìn)行繁雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。所以本設(shè)計(jì)采納精簡(jiǎn)指令集(RISC)的設(shè)計(jì)方法。精簡(jiǎn)指令集具如下特點(diǎn)為:指令系統(tǒng)的規(guī)模較小且困難程度小;操作數(shù)預(yù)存在寄存器中;指令格式統(tǒng)一;避開(kāi)不必要的存儲(chǔ)器訪問(wèn)。采納RISC指令集設(shè)計(jì)可干脆減小芯片面積,節(jié)約成本,削減開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。是嵌入式設(shè)備處理器的主流設(shè)計(jì)方法。本處理器具有l(wèi)oad/store結(jié)構(gòu),也就是說(shuō)與主存儲(chǔ)器通信只能通過(guò)LOAD和STORE指令進(jìn)行。運(yùn)算操作數(shù)只與寄存器組有關(guān),而并不在主存儲(chǔ)器上。TOP2的指令分為4類(lèi):運(yùn)算指令、寄存器指令、跳轉(zhuǎn)指令、存儲(chǔ)器指令,如表1所示。針對(duì)太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)的處理器指令集設(shè)計(jì)考慮到功耗及面積成本,只包含6條運(yùn)算指令,沒(méi)有連續(xù)移位指令和硬件乘法器。經(jīng)測(cè)試本指令集可滿(mǎn)意上一節(jié)所述對(duì)處理器的功能需求。作為RISC體系的特點(diǎn)之一就是指令格式簡(jiǎn)潔規(guī)則,筆者遵循這一原則,指令集中的11條指令均為4位操作碼和12位操作目標(biāo)位。4處理器結(jié)構(gòu)處理器主體結(jié)構(gòu)如圖2所示,下面詳細(xì)介紹處理器各部分。4.1存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)本處理器的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采納哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)。這是嵌入式處理器中被廣泛采納的結(jié)構(gòu),如ARM、MIPS等。特殊適用于采納RISC指令集的處理器。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:程序指令存儲(chǔ)通路與數(shù)據(jù)指令存儲(chǔ)通路物理上是分別的。使得兩個(gè)存儲(chǔ)器可以獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn),從而避開(kāi)了程序訪問(wèn)與數(shù)據(jù)訪問(wèn)之間產(chǎn)生的相關(guān)性沖突。這中并行設(shè)計(jì)架構(gòu)相當(dāng)于提高了1倍的吞吐量,從而提高了處理器性能。4.2流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)基于哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),處理器核心的設(shè)計(jì)采納5級(jí)流水線(xiàn)(pipe2line)結(jié)構(gòu)分別是:取指令級(jí)(IF)、譯碼級(jí)(ID)、寄存器訪問(wèn)級(jí)(LO)、運(yùn)算級(jí)(EX)、回寫(xiě)級(jí)(WB)。流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法在高性能大規(guī)模系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,其事實(shí)上就是把規(guī)模較大、層次較多的組合邏輯分為幾個(gè)級(jí),在每一級(jí)插入寄存器并暫存中間數(shù)據(jù)。這樣做大大地增加了時(shí)鐘周期的利用率,最大限度地發(fā)揮電路潛能。在不提高時(shí)鐘頻率的前提下提高了處理器效率,可以實(shí)現(xiàn)在同等效率下相對(duì)于非流水線(xiàn)設(shè)計(jì)功率可降低25倍,實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。4.3片內(nèi)其他模塊整個(gè)芯片是圍圍著流水線(xiàn)核心實(shí)現(xiàn)。依據(jù)系統(tǒng)需求,處理器要實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)以及脈沖充電方式。為了實(shí)現(xiàn)這兩種功能,在流水線(xiàn)核心的基礎(chǔ)上添加了兩個(gè)可獨(dú)立流水線(xiàn)運(yùn)行的模塊:TIMER(定時(shí)器)和PWM(脈寬調(diào)制)。TIMER模塊是16位定時(shí)器,時(shí)鐘源采納32768Hz晶振。其可以精確辨別1s時(shí)間單位,誤差低,可為本系統(tǒng)長(zhǎng)年室外穩(wěn)定工作供應(yīng)支持。定時(shí)器可以供中斷和查詢(xún)2種操作方式,以供系統(tǒng)后期的敏捷配置。PWM是脈沖調(diào)制模塊。其功能是產(chǎn)生占空比可變的方波,以驅(qū)動(dòng)大功率MOS管進(jìn)行脈沖充電。其占空比變更范圍為0~100%,步長(zhǎng)1%。本模塊減輕了處理器流水線(xiàn)部分的負(fù)擔(dān),使脈沖驅(qū)動(dòng)可與其他限制信號(hào)并行執(zhí)行,增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。處理器片內(nèi)還包含通用I/O限制單元。此單元完成對(duì)管腳數(shù)據(jù)方向的限制,并為輸出數(shù)據(jù)供應(yīng)保持功能,對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。此單元對(duì)外部異步信號(hào)域與內(nèi)部同步信號(hào)域進(jìn)行隔離。避開(kāi)產(chǎn)生信號(hào)毛刺,簡(jiǎn)化時(shí)序分析。5仿真與實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)了所需求功能。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。5.1仿真在太陽(yáng)能LED照明限制系統(tǒng)中,限制器所須要面對(duì)的指令流主要有三種:運(yùn)算指令流(依次執(zhí)行)、分支跳轉(zhuǎn)指令流、循環(huán)指令流。5.1.1運(yùn)算操作指令流(加法)完成加法指令須要的步驟包括:(1)打算2個(gè)操作數(shù)。這2個(gè)操作數(shù)假如已經(jīng)存在于寄存器組中則可以忽視此步驟,假如其中一個(gè)或兩個(gè)是馬上數(shù)或者在存儲(chǔ)器中,則須要MOV指令或LOAD指令完成打算過(guò)程。(2)進(jìn)行運(yùn)算。一條ALU加操作。(3)寫(xiě)回存儲(chǔ)器。依據(jù)不同的需求會(huì)編譯出不同的指令組合,這里以?xún)神R上數(shù)相加結(jié)果存放在寄存器中為例進(jìn)行加法操作。這須要首先執(zhí)行兩條MOVD指令打算操作數(shù),之后進(jìn)行加法操作。須要留意的是,在流水線(xiàn)中由于數(shù)據(jù)相關(guān)性問(wèn)題,在MOVD指令之后ADD指令不能立刻進(jìn)入流水線(xiàn)執(zhí)行。當(dāng)ADD指令進(jìn)入LO級(jí)進(jìn)行取數(shù)操作時(shí),其之前的兩條MOVD指令分別在EX級(jí)與WB級(jí)運(yùn)行著,此時(shí)從寄存器組中取數(shù)是不正確的。所以要把ADD指令推后,等到MOVD指令退出流水線(xiàn)后,方可進(jìn)行取數(shù)。假如是其次條MOVD指令推出流水線(xiàn)時(shí)ADD進(jìn)入LO級(jí)的話(huà),中間須要間隔3個(gè)流水線(xiàn)周期。但事實(shí)上只需間隔兩個(gè)流水線(xiàn)周期就夠了。這是由本處理器ALU操作體系確定的。ALU的第一操作數(shù)是從寄存器中干脆取出,無(wú)需通過(guò)LO級(jí)。等價(jià)于第一操作數(shù)比其次操作數(shù)要快一個(gè)流水線(xiàn)周期。所以,這里設(shè)計(jì)讓第一條MOVD指令存儲(chǔ)其次操作數(shù),當(dāng)此指令完成后,ADD進(jìn)入LO級(jí)將其次操作數(shù)取出。經(jīng)過(guò)一個(gè)流水線(xiàn)周期ADD指令進(jìn)入EX級(jí)時(shí),其次條MOVD也把第一操作數(shù)存儲(chǔ)到了寄存器。之后再經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期,運(yùn)算結(jié)果存入寄存器組。整個(gè)過(guò)程如圖4所示。從第一條指令輸入到結(jié)果寫(xiě)入寄存器組共用了10個(gè)流水線(xiàn)周期(20個(gè)時(shí)鐘周期)。考慮到指令串的流水化運(yùn)行,在大段程序中費(fèi)時(shí)是指令輸入的5個(gè)流水線(xiàn)按周期。事實(shí)上,在這5個(gè)流水線(xiàn)周期中的2個(gè)間隔周期并不必需為空,只要與本條指令沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)就可以,例如進(jìn)行兩個(gè)存儲(chǔ)器操作。這樣最好狀況下一個(gè)加法操作只需3個(gè)流水線(xiàn)周期。5.1.2分支跳轉(zhuǎn)指令流分支跳轉(zhuǎn)指令是高級(jí)語(yǔ)言中常常用到的關(guān)鍵語(yǔ)句。現(xiàn)在用跳轉(zhuǎn)指令(JUMPI)來(lái)構(gòu)建條件跳轉(zhuǎn)操作。分支跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句首先是要推斷條件是否成立,假如條件成立則依次執(zhí)行,假如不成立則跳到下一程序塊執(zhí)行。編譯成處理器的操作碼后變?yōu)?送條件;進(jìn)行比較,置標(biāo)記位;依據(jù)標(biāo)記位跳轉(zhuǎn)。在這種狀況下,實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)內(nèi)容條件結(jié)構(gòu)須要7條語(yǔ)句(7個(gè)流水線(xiàn)周期)。其中兩個(gè)周期可以插入無(wú)關(guān)操作,還有兩個(gè)周期可以提前執(zhí)行JUMPI后續(xù)指令。所以最好狀況下須要三個(gè)流水線(xiàn)周期完成。5.1.3循環(huán)語(yǔ)句循環(huán)語(yǔ)句在高級(jí)語(yǔ)言中也是常用語(yǔ)句之一。它的實(shí)現(xiàn)與分支跳轉(zhuǎn)類(lèi)似,同樣是跳轉(zhuǎn)指令的應(yīng)用。循環(huán)語(yǔ)句中要定義一個(gè)條件變量,通過(guò)循環(huán)體的運(yùn)行變更條件變量的值,完成后進(jìn)行推斷,符合條件跳出循環(huán)體,否則重新起先循環(huán)體。此種循環(huán)狀況下,循環(huán)結(jié)構(gòu)共需7條指令,如條件允許優(yōu)化NOP指令,最好狀況下只需3個(gè)流水線(xiàn)周期。在時(shí)序驗(yàn)證完成后,筆者結(jié)合XILINX公司的Virtex2FPGA,利用Synplify7.5對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合,綜合報(bào)表顯示時(shí)鐘頻率最高可到153MHz。5.2FPGA實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)下載至FPGA后,筆者采納名為ChipscopeProAnaly