卞 楠，马 聪

（天津理工大学 自动化学院，天津300384）

摘 要：为了提升光伏阵列的输出效率，设计了一种以复杂可编程逻辑器件（CPLD）为核心，基于MSP430F169单片机的光伏数据采集系统。针对传统的数据采集方式速度慢、外围电路复杂、安全性低的问题，开发设计了基于CPLD的光伏发电数据采集系统，并且内部采用了先进的先入先出队列（FIFO）存储结构。通过RS232串口方式和无线模块方式与上位机通信传输。实验证明，本设计数据采集速度快、功耗低、传输稳定可靠。

0 引言

当光伏阵列处于遮阴条件时，需要对每个电池板进行光照强度的采集，以便完成最大功率点跟踪控制的设计，使光伏阵列更高效稳定地工作[1]。高速数据采集系统在现代工业的各个领域中应用越来越广泛，基于单片机、ARM的数据采集技术已经很成熟，作为一种复杂可编程逻辑器件，CPLD(Complex Programmable Logic Device)这些年来发展迅猛，以其极高的集成度、稳定的性能以及高速、易用的特点，在各个领域都得到了广泛的应用[2]。因此，本文为了实现对光照强度数据进行多路并行采集，采用CPLD作为核心器件进行系统设计。

在检测控制系统中，当需要采集的信号特别多时，传统的方法是利用单片机及其他芯片扩展系统资源来实现，但是这样做会增加大量的外部电路和系统成本，并且增大了系统设计的复杂性。CPLD是一种具有丰富的可编程I/O 引脚的器件，具有在系统可编程、使用方便灵活、可用I/O端口多的特点，可实现复杂的数字逻辑功能。和单片机结合可较容易实现数据的采集任务[3]。

FIFO(First Input First Output)是一种广泛应用在设计中的用来作为缓冲的存储器，它能对数据进行快速顺序的存储和发送，主要用来解决不同速率器件间的速率匹配问题。本系统通过精心设计FIFO体系结构，可以实现FIFO工作性能的大幅提升[4]。

1 硬件电路设计

本设计的接收点为将每一路光照强度传感器产生的模拟量转化为CPLD可以接收并处理的数字量的信号调理电路，将它直接连入I/O口即可。本设计使用了40个接收点来接收40块光伏电池板的光照强度数值，由于受到芯片资源的限制，故使用了3片CPLD同时工作。

本设计选用的CPLD芯片为Altera公司的MAX II EPM1270T144C5N芯片，此芯片在所有CPLD系列中其单位I/O成本最低，功耗最低，包含1 270个LE，相当于40 000门数、980个等效宏单元数、8 KB用户可用Flash 比特数。硬件电路设计如图1。

1.1 CPLD采集电路的设计

因为数据通过信号调理电路已经转化为CPLD可以直接读取的数字量，所以各信号直接接入CPLD 的普通I/O口即可。设计时对精度、稳定性、功率等方面综合考虑，采用了50 MHz有源晶振。CPLD在线编程和芯片自身的测试可通过JTAG接口来实现。

1.2 通信电路设计

系统与上位机通信数据输出电路采用了无线传输模块和RS232串口通信电路，采用双通信是为了适应不同环境下的工作，无线传输模块采用了挪威NORDIC公司的NRF905射频发射芯片。RS232串口通信电路则采用以MAX232电平转换芯片为核心设计而成的串口通信电路。

1.3 电源电路设计

本系统控制器单片机与CPLD使用的都是3.3 V电源，但是液晶显示屏、电池供电等采用的是5 V电源，故需要对电源进行变换才能给芯片供电，故对电源模块进行了设计，采用了以稳压块LM1117T为核心的5 V转3.3 V电路。

1.4 控制电路设计

系统数据采集芯片采用的是CPLD，但是控制核心采用了TI公司的MSP430F169单片机，MSP430具有处理能力强、运算速度快、低能耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等优点，被广泛应用在各种工业场合。

2 软件设计

2.1 CPLD采集数据主程序设计

由于CPLD芯片的设计特点，工作方式不像单片机等属于顺序执行，而是采用速度更快的并行执行，这意味着所有的接收口可以同时工作。每串数据都有起始位和停止位，并且起始位都为低电平，停止位为高电平。检测数据是否开始传输只需判断是否来了低脉冲，但这也可能是误差信号，所以需设置判断是否是真正的起始位，本设计采用的方法是每隔十分之一数据位的时间检测一次，如果连续五次都为低脉冲，则确认为有效数据，并且每隔一个数据位开始接收。由于篇幅限制，只给出如图2所示的一路数据端的主程序流程图。

2.2 CPLD内部FIFO算法判断程序设计

为达到高速缓存的目的，以及解决存入数据与取出数据的速率不同步的问题，设计了一套FIFO寄存器的执行流程，因为CPLD是并行操作，所以流程图中各个判断位是同时执行。图3为CPLD内部FIFO寄存器的执行程序。

2.3 单片机程序流程图

单片机作为控制核心，但由于单片机I/O资源有限，所以3片CPLD采集芯片的输出端接在一起，这就意味着需要MSP430单片机对CPLD进行片选控制，否则会出现数据紊乱。流程图中的寄存器状态位为本设计中设定的一个标志位，设定的依据为当数据超过FIFO寄存器的2/3时，就认定FIFO即将溢出，将状态位置1，否则置0。当读取到其中一片CPLD芯片的寄存器状态位为1时，就让其余2片CPLD所有的数据输出为高阻态，即输出丧能。控制核心单片机则作为数据的接收端根据需要来产生时钟信号，被选中的CPLD按照单片机的时钟信号进行数据传输，如图4所示。

3 实验结果分析

仿真验证是CPLD设计中的重要一环，Altera公司的CPLD自带的Quartus II软件本身带有仿真功能，但是无法使用TestBench(类似于一种激励产生器)，对于复杂的设计，画波形图显然不是明智的选择。而Modelsim是业界最优秀的HDL仿真软件，其突出优点能为用户提供全面完善以及高性能的验证功能，不需要硬件就能对CPLD的设计进行仿真,而且能够观察具体的模拟波形图[5]。

本系统根据设计目标要求做了实验验证，如图5所示。CPLD的仿真验证使用Modelsim-altera编写了脚本程序对光照强度数据采集结果进行了实验。Lock信号是单片机读取数据的时钟信号，高电平时读取一串数据的高8位，低电平时读取数据的低8位，data为输出信号，txdb模拟输入的信号。仿真显示能够顺利读取数据，基本达到了设计要求。图6为Modelsim的仿真波形图，从图中可直观地看出读取的数据。

4 结论

本文研究设计了基于CPLD和MSP430F169单片机的光伏数据采集系统，完成了电路板的设计，测试了工作性能。通过不断地在线编程完善和调试，该系统可以快速可靠地进行数据采集和处理，效果理想，可以应用于光伏系统中。

参考文献

[1] 龚耀，林小玲.光伏系统数据采集的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2011(8)：108.

[2] 张云梓.基于CPLD的高速数据采集系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[3] 程明，毕立恒，杨晓光.基于CPLD的数据采集系统的设计[J].自动化技术与应用，2007(8)：100.

[4] 李冬，赵志凯.一种高性能异步FIFO的设计与实现[J].微电子学与计算机，2010(8)：145.

[5] 张桂兴，张英敏，张鹏.基于IP核与ModelSim的正弦波发生器仿真平台建立[J].测控技术，2011(1)：28.