崔海朋青岛杰瑞工控技能有限公司（青岛266061）
摘 要：经过对塔式太阳能定日镜追日操控原理进行研讨，提出了一种依据ARM Cortex-M3芯片的嵌入式盯梢操控器计划，首要包括模块化的硬件电路规划和µc/OS-Ⅱ嵌入式操作体系规划。该操控器具有太阳方位核算、信号收集处理、操控及以太网通讯等功用。该操控器在定日镜样机中进行验证，结果标明该操控器具有追寻精度高、环境习惯性强、功耗低一级特色，能满意塔式太阳能定日镜的盯梢要求。
关键词：塔式太阳能热发电；Cortex-M3；µc/OS-Ⅱ
0 导言
塔式太阳能热发电经过定日镜将太阳光线反射到集热塔的吸热器，经过汽轮机完成由热能向电能的转化 [1-2] 。现在，国内学者对塔式太阳能发电追寻操控体系进行了很多研讨，取得了明显的技能成果 [3-5] 。整体来看，塔式太阳能追寻操控体系运用最多的为以下几类：依据单片机和算法 [6-7] 、依据单片机和光学传感器、依据PLC和算法 [8] 等。但高精度太阳方位算法在实践工程运用时需求进行很多杂乱的核算，传统的单片机和PLC较难完成此项使命。Cortex-M3架构的32bitARM处理器比较传统的单片机功耗更低，且其具有强壮的浮点运算才能，丰厚的高功用外设能够很好地满意追日操控体系的要求 [9] 。此外，μc/OS-Ⅱ是一个闻名的开源嵌入式操作体系，具有内核规划小、可移植性强、实时性好、安稳牢靠等特色，也被广泛运用于工业操控范畴。本文研发了一种依据ARM Cortex-M3架构的嵌入式太阳能操控器，可运用塔式太阳盯梢操控场合。
1 作业原理
塔式太阳能盯梢操控体系首要由依据ARM的嵌入式塔式太阳能操控器、现场检测和执行组织、显示屏等构成。如图1所示。
嵌入式塔式太阳能操控器核算出太阳的高度角和方位角信息，依据定日镜和吸热器的数学模型核算出水平缓俯仰视点的值，并将其与上一次的方位比较得到误差值。操控器依据误差值核算出相应的方向和脉冲信息。伺服驱动器经过承受操控器的指令驱动伺服电机作业，电机经过驱动定日镜的减速传动组织带动定日镜滚动相应的视点来完成对太阳的盯梢。总归，体系由嵌入式太阳能操控器、伺服电机等组成了一个视点闭环操控体系。
2 硬件规划
2.1 硬件构架
嵌入式塔式太阳能操控器架构如图2所示，由ARM嵌入式微处理器、电源电路、数字量输入电路、模拟量输入电路、以太网通讯电路、时钟电路、贮存电路、GPS电路、看门狗电路、RS485通讯电路、数字量输出电路、模拟量输出电路（保存功用）、RS232通讯电路等组成。
操控器中电源电路选用金升阳DC/DC阻隔稳压模块完成输入输出接口的阻隔；数字量输入和数字量输出电路选用光耦完成阻隔，RS232和RS485通讯电路经过光耦电路完成阻隔，进步通讯的抗搅扰性。此外，为了确保操控器长时刻工作的牢靠性，选用外置硬件看门狗和芯片内部的独立看门狗的方法进行两层维护。操控器一切的电子元件均选用宽温型产品，电路板做三防处理，整套操控器规划作业于-30℃~70℃范围内，愈加习惯现场恶劣的环境。
2.2 主控芯片选型
现在，市面上干流的Cortex-M3内核的ARM芯片首要有：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公司出产的FM3系列芯片选用Cortex-M3内核，具有外设丰厚，工业安稳牢靠性好等长处。依据此，操控器选用该系列芯片，类型为MB9BF618S，CPU时钟频率高达144MHz，1MB Flash，64KBSRAM，含有2路10/100M 以太网操控器，32通道的ADC接口，8个UART，154个GPIO。不管从功用仍是从外设上都彻底满意塔式太阳能操控器的需求。
2.3 编码器输入模块规划
增量式编码器具有高精度、很多程、反响快、数字化输出、本钱低价等特色，在本文规划的定日镜操控器中，选用两个增量型编码器来检测定日镜滚动的视点，并将增量型编码器经过光耦阻隔电路与ARM的编码器外设接口衔接，完成牢靠的数字化数据传输。为了完成对闭环转角误差的有用消除，所选用的增量型编码器的精度大于16bit。单只编码器的接口电路如图3所示，其间增量编码器的A、B、Z三相信号经过PS2805-4高速光耦转化为0~3.3V的脉冲信号，接入ARM芯片的编码器外设接口AIN1_2、BIN1_2和ZIN1_2三个引脚。
2.4 开关量输入输出模块规划
在操控器开关量输入输出模块的规划中，规划了8DI/8DO的开关量输入输出功用。其间，8路DI中包括2路高速脉冲输出，其它为低速DI接口；8路DO包括4路继电器输出、4路高速脉冲输出，高速脉冲输出能够用于伺服驱动器操控。
DI接口电路如图4所示。其间DI1、DI2、DI3和DI4信号经过PS2805-4高速光耦转化为0~3.3V的凹凸电平信号，接入ARM芯片的4个GPIO接口。DI5~DI8的电路相同，不再赘述。
DO接口电路如图5所示。其间TTL_DO0、TTL_DO1、TTL_DO2和TTL_DO3信号经过TLP521-4低速光耦转化为0-5V的凹凸电平信号，经过三极管扩大电路完成欧姆龙继电器G5NB-1A的接通和封闭。DO5~DO8的电路相同，不再赘述。
2.5 RS485通讯模块规划
RS485接口选用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声搅扰性好，最高传输速率为10Mbit/s，最大传输间隔为4 000英尺(1英尺=0.3048米)，具有多站才能，只需求两根屏蔽双绞线构成的通讯线就能够衔接多个站点。为了便利定日镜操控器与其他RS485总线型传感器或许设备进行通讯，规划了两路RS485接口。
RS485通讯接口模块电路如图6所示，选用PS9151高速光耦阻隔通讯。该电路为主动流电路，只需求衔接ARM的RXD和TXD引脚就能够，无需用单片机引脚衔接485芯片的DE RE引脚，即能够完成数据的主动收发功用。D27、D29双向稳压二极管类型是SMAJ6.8CA。他们的作用是把A、B引脚对地的电压以及A和B引脚之间的电压，操控到6.8 V以内，维护485芯片MAX13487E。
2.6 双以太网通讯模块规划
本文规划的嵌入式塔式太阳能操控器选用2路硬件彻底独立的以太网电路来进步操控器的通讯牢靠性。每个以太网电路均可装备不同的IP地址、MAC地址，以此供给牢靠的冗余功用，毛病时可主动旁路，不影响其他节点的运用。
MB9BF618S内部集成两个网卡操控器。本操控器用两个DP83848作为PHY芯片供给两个以太网接口，可自习惯10M/100M网络。RJ45转接头HR911105A内部集成耦合线圈可直接用一般网线衔接其他设备。以太网通讯接口电路如图7所示。
2.7 时钟及GPS模块规划
操控器选用NEO-6M GPS模块来获取经纬度、海拔、时刻等参数，然后进行太阳方位的核算。别的本体系规划了双时钟来确保数据的安稳获取，操控器内部的时钟模块能够经过正常的GPS信号进行校时，而当GPS信号无法正常获取时，时刻信息就能够经过内部的实时时钟模块来获取，然后能够确保进行精确的太阳方位核算。
3 软件规划
3.1μc/OS-Ⅱ操作体系移植
μc/OS-Ⅱ操作体系文件一般包括运用程序代码、体系文件、μc/OS-Ⅱ体系装备文件、体系库函数、板间支撑包BSP、μc/OS-Ⅱ和Cortex-M3 的端口代码等文件。为了对μc/OS-Ⅱ操作体系进行移植，需求对OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等端口代码进行修正，在修正这部分文件之后，就完成了操作体系的移植。
3.2 软件架构规划
嵌入式塔式太阳能操控器内部工作嵌入式操作体系，多个子使命并行工作。首要包括：GPS通讯子使命、气候收集子使命、方位测量子使命、太阳能追寻子使命、电机操控子使命、电机监测子使命、外表通讯子使命和DCS通讯子使命。多个使命赋予其不同的优先级，体系依据优先级的不同调度执行使命，共同完成塔式太阳能定日镜追寻和操控功用，程序软件架构如图8所示。
GPS通讯子使命的首要功用是进行经纬度、海拔、时区等参数的获取，然后将其运用于太阳方位的核算；气候收集子使命的首要功用是进行实时的气候数据的获取，例如风速、风向、雨雪、云层、辐照信息等，然后能够拟定相应的避险战略来应对恶劣的气候，维护对应的子程序；方位通讯子使命的首要功用是进行定日镜实时方位视点的获取；太阳能追寻子使命首要功用是塔式定日镜的手动和主动工作操控；电机操控子使命的首要功用是完成水平缓俯仰两伺服电机的操控；电机检测子使命的首要功用是完成电机工作状况的实时监测；外表通讯子使命的首要功用是完成规范的Modbus RTU通讯，可装备主机形式或许从机形式，既能够接触摸屏，也能够衔接相关的外表；DCS通讯子使命的首要功用是完成嵌入式塔式太阳能操控器与镜场DCS操控体系之间的通讯。
4 实验验证
为了验证嵌入式塔式太阳能操控器的核算精确性与牢靠性，本文运用公司塔式定日镜小型样机进行了仿真实验，以剖析其工作特性及盯梢作用。测验记过如表1所示，从数据能够看出，操控器输入视点信息和理论核算是相符的，样机测验的最大误差为±0.05°。由此能够看出，本文规划的依据ARM嵌入式操控器能够较好的满意塔式定日镜逐日的需求。
定论
本文规划了一种依据ARM-Cortex M3架构微处理器的可运用到塔式太阳能定日镜逐日操控中的操控器，并对软硬件规划计划做了阐明。样机测验标明，该操控器核算精确，盯梢精度高。可用于塔式太阳能热发电体系中，运用远景杰出。
参考文献
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作者简介：
崔海朋（1982—），男，硕士，高级工程师，研讨方向嵌入式软硬件规划。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第82页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
