0 引言

    當光伏陣列處于遮陰條件時，需要對每個電池板進行光照強度的采集，以便完成最大功率點跟蹤控制的設計，使光伏陣列更高效穩定地工作^[1]。高速數據采集系統在現代工業的各個領域中應用越來越廣泛，基于單片機、ARM的數據采集技術已經很成熟，作為一種復雜可編程邏輯器件，CPLD(Complex Programmable Logic Device)這些年來發展迅猛，以其極高的集成度、穩定的性能以及高速、易用的特點，在各個領域都得到了廣泛的應用^[2]。因此，本文為了實現對光照強度數據進行多路并行采集，采用CPLD作為核心器件進行系統設計。

    在檢測控制系統中，當需要采集的信號特別多時，傳統的方法是利用單片機及其他芯片擴展系統資源來實現，但是這樣做會增加大量的外部電路和系統成本，并且增大了系統設計的復雜性。CPLD是一種具有豐富的可編程I/O 引腳的器件，具有在系統可編程、使用方便靈活、可用I/O端口多的特點，可實現復雜的數字邏輯功能。和單片機結合可較容易實現數據的采集任務^[3]。

    FIFO(First Input First Output)是一種廣泛應用在設計中的用來作為緩沖的存儲器，它能對數據進行快速順序的存儲和發送，主要用來解決不同速率器件間的速率匹配問題。本系統通過精心設計FIFO體系結構，可以實現FIFO工作性能的大幅提升^[4]。

1 硬件電路設計

    本設計的接收點為將每一路光照強度傳感器產生的模擬量轉化為CPLD可以接收并處理的數字量的信號調理電路，將它直接連入I/O口即可。本設計使用了40個接收點來接收40塊光伏電池板的光照強度數值，由于受到芯片資源的限制，故使用了3片CPLD同時工作。

    本設計選用的CPLD芯片為Altera公司的MAX II  EPM1270T144C5N芯片，此芯片在所有CPLD系列中其單位I/O成本最低，功耗最低，包含1 270個LE，相當于40 000門數、980個等效宏單元數、8 KB用戶可用Flash 比特數。硬件電路設計如圖1。

1.1 CPLD采集電路的設計

    因為數據通過信號調理電路已經轉化為CPLD可以直接讀取的數字量，所以各信號直接接入CPLD 的普通I/O口即可。設計時對精度、穩定性、功率等方面綜合考慮，采用了50 MHz有源晶振。CPLD在線編程和芯片自身的測試可通過JTAG接口來實現。

1.2 通信電路設計

    系統與上位機通信數據輸出電路采用了無線傳輸模塊和RS232串口通信電路，采用雙通信是為了適應不同環境下的工作，無線傳輸模塊采用了挪威NORDIC公司的NRF905射頻發射芯片。RS232串口通信電路則采用以MAX232電平轉換芯片為核心設計而成的串口通信電路。

1.3 電源電路設計

    本系統控制器單片機與CPLD使用的都是3.3 V電源，但是液晶顯示屏、電池供電等采用的是5 V電源，故需要對電源進行變換才能給芯片供電，故對電源模塊進行了設計，采用了以穩壓塊LM1117T為核心的5 V轉3.3 V電路。

1.4 控制電路設計

    系統數據采集芯片采用的是CPLD，但是控制核心采用了TI公司的MSP430F169單片機，MSP430具有處理能力強、運算速度快、低能耗、片內資源豐富、方便高效的開發環境等優點，被廣泛應用在各種工業場合。

2 軟件設計

2.1 CPLD采集數據主程序設計

    由于CPLD芯片的設計特點，工作方式不像單片機等屬于順序執行，而是采用速度更快的并行執行，這意味著所有的接收口可以同時工作。每串數據都有起始位和停止位，并且起始位都為低電平，停止位為高電平。檢測數據是否開始傳輸只需判斷是否來了低脈沖，但這也可能是誤差信號，所以需設置判斷是否是真正的起始位，本設計采用的方法是每隔十分之一數據位的時間檢測一次，如果連續五次都為低脈沖，則確認為有效數據，并且每隔一個數據位開始接收。由于篇幅限制，只給出如圖2所示的一路數據端的主程序流程圖。

2.2 CPLD內部FIFO算法判斷程序設計

    為達到高速緩存的目的，以及解決存入數據與取出數據的速率不同步的問題，設計了一套FIFO寄存器的執行流程，因為CPLD是并行操作，所以流程圖中各個判斷位是同時執行。圖3為CPLD內部FIFO寄存器的執行程序。

2.3 單片機程序流程圖

    單片機作為控制核心，但由于單片機I/O資源有限，所以3片CPLD采集芯片的輸出端接在一起，這就意味著需要MSP430單片機對CPLD進行片選控制，否則會出現數據紊亂。流程圖中的寄存器狀態位為本設計中設定的一個標志位，設定的依據為當數據超過FIFO寄存器的2/3時，就認定FIFO即將溢出，將狀態位置1，否則置0。當讀取到其中一片CPLD芯片的寄存器狀態位為1時，就讓其余2片CPLD所有的數據輸出為高阻態，即輸出喪能。控制核心單片機則作為數據的接收端根據需要來產生時鐘信號，被選中的CPLD按照單片機的時鐘信號進行數據傳輸，如圖4所示。

3 實驗結果分析

    仿真驗證是CPLD設計中的重要一環，Altera公司的CPLD自帶的Quartus II軟件本身帶有仿真功能，但是無法使用TestBench(類似于一種激勵產生器)，對于復雜的設計，畫波形圖顯然不是明智的選擇。而Modelsim是業界最優秀的HDL仿真軟件，其突出優點能為用戶提供全面完善以及高性能的驗證功能，不需要硬件就能對CPLD的設計進行仿真,而且能夠觀察具體的模擬波形圖^[5]。

    本系統根據設計目標要求做了實驗驗證，如圖5所示。CPLD的仿真驗證使用Modelsim-altera編寫了腳本程序對光照強度數據采集結果進行了實驗。Lock信號是單片機讀取數據的時鐘信號，高電平時讀取一串數據的高8位，低電平時讀取數據的低8位，data為輸出信號，txdb模擬輸入的信號。仿真顯示能夠順利讀取數據，基本達到了設計要求。圖6為Modelsim的仿真波形圖，從圖中可直觀地看出讀取的數據。

4 結論

    本文研究設計了基于CPLD和MSP430F169單片機的光伏數據采集系統，完成了電路板的設計，測試了工作性能。通過不斷地在線編程完善和調試，該系統可以快速可靠地進行數據采集和處理，效果理想，可以應用于光伏系統中。

參考文獻

[1] 龔耀，林小玲.光伏系統數據采集的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2011(8)：108.

[2] 張云梓.基于CPLD的高速數據采集系統的實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[3] 程明，畢立恒，楊曉光.基于CPLD的數據采集系統的設計[J].自動化技術與應用，2007(8)：100.

[4] 李冬，趙志凱.一種高性能異步FIFO的設計與實現[J].微電子學與計算機，2010(8)：145.

[5] 張桂興，張英敏，張鵬.基于IP核與ModelSim的正弦波發生器仿真平臺建立[J].測控技術，2011(1)：28.