嵌入式塔式太陽能熱發電控制器研制與應用

　　崔海朋青島杰瑞工控技術有限公司（青島266061）

　　摘?要：通過對塔式太陽能定日鏡追日控制原理進行研究，提出了一種基于ARM Cortex-M3芯片的嵌入式跟蹤控制器方案，主要包括模塊化的硬件電路設計和μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系統設計。該控制器具有太陽位置計算、信號采集處理、控制及以太網通訊等功能。該控制器在定日鏡樣機中進行驗證，結果表明該控制器具有追蹤精度高、環境適應性強、功耗低等特點，能滿足塔式太陽能定日鏡的跟蹤要求。

　　關鍵詞：塔式太陽能熱發電；Cortex-M3；μc/OS-Ⅱ

　　0 引言

　　塔式太陽能熱發電通過定日鏡將太陽光線反射到集熱塔的吸熱器，通過汽輪機實現由熱能向電能的轉換 ^[1-2] 。目前，國內學者對塔式太陽能發電追蹤控制系統進行了大量研究，取得了顯著的技術成果 ^[3-5] ?？傮w來看，塔式太陽能追蹤控制系統應用最多的為以下幾類：基于單片機和算法 ^[6-7] 、基于單片機和光學傳感器、基于PLC和算法 ^[8] 等。但高精度太陽位置算法在實際工程應用時需要進行大量復雜的計算，傳統的單片機和PLC較難實現此項任務。Cortex-M3架構的32bitARM處理器相比傳統的單片機功耗更低，且其擁有強大的浮點運算能力，豐富的高性能外設可以很好地滿足追日控制系統的要求 ^[9] 。此外，μc/OS-Ⅱ是一個著名的開源嵌入式操作系統，具有內核規模小、可移植性強、實時性好、穩定可靠等特點，也被廣泛應用于工業控制領域。本文研制了一種基于ARM Cortex-M3架構的嵌入式太陽能控制器，可應用塔式太陽跟蹤控制場合。

　　1 工作原理

　　塔式太陽能跟蹤控制系統主要由基于ARM的嵌入式塔式太陽能控制器、現場檢測和執行機構、顯示屏等構成。如圖1所示。

　　嵌入式塔式太陽能控制器計算出太陽的高度角和方位角信息，根據定日鏡和吸熱器的數學模型計算出水平和俯仰角度的值，并將其與上一次的位置比較得到偏差值?？刂破鞲鶕钪涤嬎愠鱿鄳姆较蚝兔}沖信息。伺服驅動器通過接受控制器的指令驅動伺服電機工作，電機通過驅動定日鏡的減速傳動機構帶動定日鏡轉動相應的角度來實現對太陽的跟蹤?？傊?，系統由嵌入式太陽能控制器、伺服電機等組成了一個角度閉環控制系統。

　　2 硬件設計

　　2.1 硬件構架

　　嵌入式塔式太陽能控制器架構如圖2所示，由ARM嵌入式微處理器、電源電路、數字量輸入電路、模擬量輸入電路、以太網通訊電路、時鐘電路、儲存電路、GPS電路、看門狗電路、RS485通訊電路、數字量輸出電路、模擬量輸出電路（保留功能）、RS232通訊電路等組成。

　　控制器中電源電路采用金升陽DC/DC隔離穩壓模塊實現輸入輸出接口的隔離；數字量輸入和數字量輸出電路采用光耦實現隔離，RS232和RS485通訊電路通過光耦電路實現隔離，提高通訊的抗干擾性。此外，為了保證控制器長期運行的可靠性，采用外置硬件看門狗和芯片內部的獨立看門狗的方式進行雙重保護?？刂破魉械碾娮釉捎脤挏匦彤a品，電路板做三防處理，整套控制器設計工作于-30℃~70℃范圍內，更加適應現場惡劣的環境。

　　2.2 主控芯片選型

　　目前，市面上主流的Cortex-M3內核的ARM芯片主要有：TI公司的LM3S系列、NXP公司 的LPC1700 系列、ST公司的STM32系列、ATMEL公司的AT91SAM3系列、cypress公司FM3系列。

　　cypress公司生產的FM3系列芯片采用Cortex-M3內核，具有外設豐富，工業穩定可靠性好等優點?；诖?，控制器采用該系列芯片，型號為MB9BF618S，CPU時鐘頻率高達144MHz，1MB Flash，64KBSRAM，含有2路10/100M 以太網控制器，32通道的ADC接口，8個UART，154個GPIO。不論從性能還是從外設上都完全滿足塔式太陽能控制器的需求。

　　2.3 編碼器輸入模塊設計

　　增量式編碼器具有高精度、大量程、反應快、數字化輸出、成本低廉等特點，在本文設計的定日鏡控制器中，選用兩個增量型編碼器來檢測定日鏡轉動的角度，并將增量型編碼器通過光耦隔離電路與ARM的編碼器外設接口連接，實現可靠的數字化數據傳輸。為了實現對閉環轉角偏差的有效消除，所采用的增量型編碼器的精度大于16bit。單只編碼器的接口電路如圖3所示，其中增量編碼器的A、B、Z三相信號通過PS2805-4高速光耦轉換為0~3.3V的脈沖信號，接入ARM芯片的編碼器外設接口AIN1_2、BIN1_2和ZIN1_2三個引腳。

　　2.4 開關量輸入輸出模塊設計

　　在控制器開關量輸入輸出模塊的設計中，設計了8DI/8DO的開關量輸入輸出功能。其中，8路DI中包含2路高速脈沖輸出，其它為低速DI接口；8路DO包括4路繼電器輸出、4路高速脈沖輸出，高速脈沖輸出可以用于伺服驅動器控制。

　　DI接口電路如圖4所示。其中DI1、DI2、DI3和DI4信號通過PS2805-4高速光耦轉換為0~3.3V的高低電平信號，接入ARM芯片的4個GPIO接口。DI5~DI8的電路相同，不再贅述。

　　DO接口電路如圖5所示。其中TTL_DO0、TTL_DO1、TTL_DO2和TTL_DO3信號通過TLP521-4低速光耦轉換為0-5V的高低電平信號，通過三極管放大電路實現歐姆龍繼電器G5NB-1A的接通和關閉。DO5~DO8的電路相同，不再贅述。

　　2.5 RS485通訊模塊設計

　　RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好，最高傳輸速率為10Mbit/s，最大傳輸距離為4 000英尺(1英尺=0.3048米)，具有多站能力，只需要兩根屏蔽雙絞線構成的通訊線就可以連接多個站點。為了方便定日鏡控制器與其他RS485總線型傳感器或者設備進行通信，設計了兩路RS485接口。

　　RS485通信接口模塊電路如圖6所示，采用PS9151高速光耦隔離通訊。該電路為自動流電路，只需要連接ARM的RXD和TXD引腳就可以，無需用單片機引腳連接485芯片的DE RE引腳，即可以實現數據的自動收發功能。D27、D29雙向穩壓二極管型號是SMAJ6.8CA。他們的作用是把A、B引腳對地的電壓以及A和B引腳之間的電壓，牽制到6.8 V以內，保護485芯片MAX13487E。

　　2.6 雙以太網通訊模塊設計

　　本文設計的嵌入式塔式太陽能控制器采用2路硬件完全獨立的以太網電路來提高控制器的通訊可靠性。每個以太網電路均可配置不同的IP地址、MAC地址，以此提供可靠的冗余性能，故障時可自動旁路，不影響其他節點的使用。

　　MB9BF618S內部集成兩個網卡控制器。本控制器用兩個DP83848作為PHY芯片提供兩個以太網接口，可自適應10M/100M網絡。RJ45轉接頭HR911105A內部集成耦合線圈可直接用普通網線連接其他設備。以太網通訊接口電路如圖7所示。

　　2.7 時鐘及GPS模塊設計

　　控制器采用NEO-6M GPS模塊來獲取經緯度、海拔、時間等參數，從而進行太陽位置的計算。另外本系統設計了雙時鐘來保證數據的穩定獲取，控制器內部的時鐘模塊可以通過正常的GPS信號進行校時，而當GPS信號無法正常獲取時，時間信息就可以通過內部的實時時鐘模塊來獲取，從而可以保證進行準確的太陽位置計算。

　　3 軟件設計

　　3.1μc/OS-Ⅱ操作系統移植

　　μc/OS-Ⅱ操作系統文件一般包含應用程序代碼、系統文件、μc/OS-Ⅱ系統配置文件、系統庫函數、板間支持包BSP、μc/OS-Ⅱ和Cortex-M3 的端口代碼等文件。為了對μc/OS-Ⅱ操作系統進行移植，需要對OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等端口代碼進行修改，在修改這部分文件之后，就完成了操作系統的移植。

　　3.2 軟件架構設計

　　嵌入式塔式太陽能控制器內部運行嵌入式操作系統，多個子任務并行運行。主要包含：GPS通訊子任務、氣象采集子任務、位置測量子任務、太陽能追蹤子任務、電機控制子任務、電機監測子任務、儀表通訊子任務和DCS通訊子任務。多個任務賦予其不同的優先級，系統根據優先級的不同調度執行任務，共同完成塔式太陽能定日鏡追蹤和控制功能，程序軟件架構如圖8所示。

　　GPS通訊子任務的主要功能是進行經緯度、海拔、時區等參數的獲取，從而將其應用于太陽位置的計算；氣象采集子任務的主要功能是進行實時的氣象數據的獲取，例如風速、風向、雨雪、云層、輻照信息等，從而可以制定相應的避險策略來應對惡劣的天氣，保護對應的子程序；位置通訊子任務的主要功能是進行定日鏡實時位置角度的獲??；太陽能追蹤子任務主要功能是塔式定日鏡的手動和自動運行控制；電機控制子任務的主要功能是實現水平和俯仰兩伺服電機的控制；電機檢測子任務的主要功能是實現電機運轉狀態的實時監測；儀表通訊子任務的主要功能是實現標準的Modbus RTU通訊，可配置主機模式或者從機模式，既可以接觸摸屏，也可以連接相關的儀表；DCS通訊子任務的主要功能是實現嵌入式塔式太陽能控制器與鏡場DCS控制系統之間的通訊。

　　4 試驗驗證

　　為了驗證嵌入式塔式太陽能控制器的計算準確性與可靠性，本文使用公司塔式定日鏡小型樣機進行了仿真試驗，以分析其運行特性及跟蹤效果。測試記過如表1所示，從數據可以看出，控制器輸入角度信息和理論計算是相符的，樣機測試的最大偏差為±0.05°。由此可以看出，本文設計的基于ARM嵌入式控制器可以較好的滿足塔式定日鏡逐日的需求。

　　結論

　　本文設計了一種基于ARM-Cortex M3架構微處理器的可應用到塔式太陽能定日鏡逐日控制中的控制器，并對軟硬件設計方案做了說明。樣機測試表明，該控制器計算準確，跟蹤精度高?？捎糜?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/塔式太陽能熱發電">塔式太陽能熱發電系統中，應用前景良好。

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　　作者簡介：

　　崔海朋（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向嵌入式軟硬件設計。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第82頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。