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　　崔海朋青岛杰瑞工控技术有限公司（青岛266061）

　　摘?要：通过对塔式太阳能定日镜追日控制原理进行研究，提出了一种基于ARM Cortex-M3芯片的嵌入式跟踪控制器方案，主要包括模块化的硬件电路设计和μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系统设计。该控制器具有太阳位置计算、信号采集处理、控制及以太网通讯等功能。该控制器在定日镜样机中进行验证，结果表明该控制器具有追踪精度高、环境适应性强、功耗低等特点，能满足塔式太阳能定日镜的跟踪要求。

　　关键词：塔式太阳能热发电；Cortex-M3；μc/OS-Ⅱ

　　0 引言

　　塔式太阳能热发电通过定日镜将太阳光线反射到集热塔的吸热器，通过汽轮机实现由热能向电能的转换 ^[1-2] 。目前，国内学者对塔式太阳能发电追踪控制系统进行了大量研究，取得了显著的技术成果 ^[3-5] 。总体来看，塔式太阳能追踪控制系统应用最多的为以下几类：基于单片机和算法 ^[6-7] 、基于单片机和光学传感器、基于PLC和算法 ^[8] 等。但高精度太阳位置算法在实际工程应用时需要进行大量复杂的计算，传统的单片机和PLC较难实现此项任务。Cortex-M3架构的32bitARM处理器相比传统的单片机功耗更低，且其拥有强大的浮点运算能力，丰富的高性能外设可以很好地满足追日控制系统的要求 ^[9] 。此外，μc/OS-Ⅱ是一个著名的开源嵌入式操作系统，具有内核规模小、可移植性强、实时性好、稳定可靠等特点，也被广泛应用于工业控制领域。本文研制了一种基于ARM Cortex-M3架构的嵌入式太阳能控制器，可应用塔式太阳跟踪控制场合。

　　1 工作原理

　　塔式太阳能跟踪控制系统主要由基于ARM的嵌入式塔式太阳能控制器、现场检测和执行机构、显示屏等构成。如图1所示。

　　嵌入式塔式太阳能控制器计算出太阳的高度角和方位角信息，根据定日镜和吸热器的数学模型计算出水平和俯仰角度的值，并将其与上一次的位置比较得到偏差值。控制器根据偏差值计算出相应的方向和脉冲信息。伺服驱动器通过接受控制器的指令驱动伺服电机工作，电机通过驱动定日镜的减速传动机构带动定日镜转动相应的角度来实现对太阳的跟踪。总之，系统由嵌入式太阳能控制器、伺服电机等组成了一个角度闭环控制系统。

　　2 硬件设计

　　2.1 硬件构架

　　嵌入式塔式太阳能控制器架构如图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、储存电路、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（保留功能）、RS232通讯电路等组成。

　　控制器中电源电路采用金升阳DC/DC隔离稳压模块实现输入输出接口的隔离；数字量输入和数字量输出电路采用光耦实现隔离，RS232和RS485通讯电路通过光耦电路实现隔离，提高通讯的抗干扰性。此外，为了保证控制器长期运行的可靠性，采用外置硬件看门狗和芯片内部的独立看门狗的方式进行双重保护。控制器所有的电子元件均采用宽温型产品，电路板做三防处理，整套控制器设计工作于-30℃~70℃范围内，更加适应现场恶劣的环境。

　　2.2 主控芯片选型

　　目前，市面上主流的Cortex-M3内核的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公司生产的FM3系列芯片采用Cortex-M3内核，具有外设丰富，工业稳定可靠性好等优点。基于此，控制器采用该系列芯片，型号为MB9BF618S，CPU时钟频率高达144MHz，1MB Flash，64KBSRAM，含有2路10/100M 以太网控制器，32通道的ADC接口，8个UART，154个GPIO。不论从性能还是从外设上都完全满足塔式太阳能控制器的需求。

　　2.3 编码器输入模块设计

　　增量式编码器具有高精度、大量程、反应快、数字化输出、成本低廉等特点，在本文设计的定日镜控制器中，选用两个增量型编码器来检测定日镜转动的角度，并将增量型编码器通过光耦隔离电路与ARM的编码器外设接口连接，实现可靠的数字化数据传输。为了实现对闭环转角偏差的有效消除，所采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，其中增量编码器的A、B、Z三相信号通过PS2805-4高速光耦转换为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设计

　　在控制器开关量输入输出模块的设计中，设计了8DI/8DO的开关量输入输出功能。其中，8路DI中包含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，高速脉冲输出可以用于伺服驱动器控制。

　　DI接口电路如图4所示。其中DI1、DI2、DI3和DI4信号通过PS2805-4高速光耦转换为0~3.3V的高低电平信号，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。其中TTL_DO0、TTL_DO1、TTL_DO2和TTL_DO3信号通过TLP521-4低速光耦转换为0-5V的高低电平信号，通过三极管放大电路实现欧姆龙继电器G5NB-1A的接通和关闭。DO5~DO8的电路相同，不再赘述。

　　2.5 RS485通讯模块设计

　　RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，最高传输速率为10Mbit/s，最大传输距离为4 000英尺(1英尺=0.3048米)，具有多站能力，只需要两根屏蔽双绞线构成的通讯线就可以连接多个站点。为了方便定日镜控制器与其他RS485总线型传感器或者设备进行通信，设计了两路RS485接口。

　　RS485通信接口模块电路如图6所示，采用PS9151高速光耦隔离通讯。该电路为自动流电路，只需要连接ARM的RXD和TXD引脚就可以，无需用单片机引脚连接485芯片的DE RE引脚，即可以实现数据的自动收发功能。D27、D29双向稳压二极管型号是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，牵制到6.8 V以内，保护485芯片MAX13487E。

　　2.6 双以太网通讯模块设计

　　本文设计的嵌入式塔式太阳能控制器采用2路硬件完全独立的以太网电路来提高控制器的通讯可靠性。每个以太网电路均可配置不同的IP地址、MAC地址，以此提供可靠的冗余性能，故障时可自动旁路，不影响其他节点的使用。

　　MB9BF618S内部集成两个网卡控制器。本控制器用两个DP83848作为PHY芯片提供两个以太网接口，可自适应10M/100M网络。RJ45转接头HR911105A内部集成耦合线圈可直接用普通网线连接其他设备。以太网通讯接口电路如图7所示。

　　2.7 时钟及GPS模块设计

　　控制器采用NEO-6M GPS模块来获取经纬度、海拔、时间等参数，从而进行太阳位置的计算。另外本系统设计了双时钟来保证数据的稳定获取，控制器内部的时钟模块可以通过正常的GPS信号进行校时，而当GPS信号无法正常获取时，时间信息就可以通过内部的实时时钟模块来获取，从而可以保证进行准确的太阳位置计算。

　　3 软件设计

　　3.1μc/OS-Ⅱ操作系统移植

　　μc/OS-Ⅱ操作系统文件一般包含应用程序代码、系统文件、μc/OS-Ⅱ系统配置文件、系统库函数、板间支持包BSP、μc/OS-Ⅱ和Cortex-M3 的端口代码等文件。为了对μc/OS-Ⅱ操作系统进行移植，需要对OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等端口代码进行修改，在修改这部分文件之后，就完成了操作系统的移植。

　　3.2 软件架构设计

　　嵌入式塔式太阳能控制器内部运行嵌入式操作系统，多个子任务并行运行。主要包含：GPS通讯子任务、气象采集子任务、位置测量子任务、太阳能追踪子任务、电机控制子任务、电机监测子任务、仪表通讯子任务和DCS通讯子任务。多个任务赋予其不同的优先级，系统根据优先级的不同调度执行任务，共同完成塔式太阳能定日镜追踪和控制功能，程序软件架构如图8所示。

　　GPS通讯子任务的主要功能是进行经纬度、海拔、时区等参数的获取，从而将其应用于太阳位置的计算；气象采集子任务的主要功能是进行实时的气象数据的获取，例如风速、风向、雨雪、云层、辐照信息等，从而可以制定相应的避险策略来应对恶劣的天气，保护对应的子程序；位置通讯子任务的主要功能是进行定日镜实时位置角度的获取；太阳能追踪子任务主要功能是塔式定日镜的手动和自动运行控制；电机控制子任务的主要功能是实现水平和俯仰两伺服电机的控制；电机检测子任务的主要功能是实现电机运转状态的实时监测；仪表通讯子任务的主要功能是实现标准的Modbus RTU通讯，可配置主机模式或者从机模式，既可以接触摸屏，也可以连接相关的仪表；DCS通讯子任务的主要功能是实现嵌入式塔式太阳能控制器与镜场DCS控制系统之间的通讯。

　　4 试验验证

　　为了验证嵌入式塔式太阳能控制器的计算准确性与可靠性，本文使用公司塔式定日镜小型样机进行了仿真试验，以分析其运行特性及跟踪效果。测试记过如表1所示，从数据可以看出，控制器输入角度信息和理论计算是相符的，样机测试的最大偏差为±0.05°。由此可以看出，本文设计的基于ARM嵌入式控制器可以较好的满足塔式定日镜逐日的需求。

　　结论

　　本文设计了一种基于ARM-Cortex M3架构微处理器的可应用到塔式太阳能定日镜逐日控制中的控制器，并对软硬件设计方案做了说明。样机测试表明，该控制器计算准确，跟踪精度高。可用于塔式太阳能热发电系统中，应用前景良好。

　　参考文献

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　　作者简介：

　　崔海朋（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向嵌入式软硬件设计。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第82页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。