基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计
0 引 言
太阳能是一种清洁的绿色能源, 半导体发光二极管(LED) 也是一种环保、节能、高效的固态电光源。将LED 技术和太阳能技术相结合在一起, 开发太阳能半导体照明, 是最佳的节能、环保组合, 是新一代能源和新一代光源的完美结合。研究开发利用太阳能LED 照明技术将是世界各国政府可持续发展的战略决策, 意义重大。
本文的研究对象是太阳能LED 照明控制系统控制器中的处理器。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED 负载半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠处理器的运转来实现上述功能的。
1 系统构成
太阳能LED 照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控制器、LED 照明负载和市电电源5 部分组成, 系统组成原理图如图1 所示。系统正常工作时, 由蓄电池向LED 负载供电, 在蓄电池电压不足时, 由市电( 备用电源) 直接向LED 负载供电, 避免了蓄电池电压不足时LED 负载不亮的情况。有了市电作为备用电源, 在设计时可以适当降低蓄电池的容量, 降低成本。同时避免了由于利用太阳能而导致的市电资源的浪费,达到可靠性和经济性要求。
图1 太阳能LED 照明系统组成原理图
系统工作时通过太阳能电池将太阳辐射能转化为电能, 但是由于太阳能电池的输出受温度和太阳辐射强度影响很大, 输出功率不稳定, 因而在太阳辐射强度足够大的时( 白天) 需要利用蓄电池将转化的电能储存起来, 以便在需要照明时( 晚上) 向半导体照明负载供电。在太阳能半导体照明系统中, 控制器是其核心部分, 系统工作时通过控制器实现对系统工作状态的控制和对蓄电池充放电过程的管理, 以使系统在不同的工作状态下均能稳定可靠地工作。
系统各个组成部分的主要功能如下:
(1) 太阳能电池。由许多太阳能电池组件串、并联而成, 其合成的容量可以是数百峰瓦(Wp) , 也可达数个兆峰瓦(Wp) 甚至更大, 组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其他类型的太阳能电池组成。一般来说, 光伏阵列由于多为半导体器件构成, 其伏安特性具有强烈的非线性。
(2) 蓄电池组。蓄电池也称电瓶, 是太阳能LED照明系统的关键部分。一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成, 其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能, 晚上把储存的能量释放出来,供负载照明使用。它的最佳充电电流和放电电流, 一般按10 h 充、放电率计算。
由于蓄电池对电压的波动具有/ 缓冲0作用, 还可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价格低等优点, 但若使用不当, 很容易加速蓄电池的老化, 使蓄电池的寿命急剧缩短, 造成系统运行成本的增加, 充、放电电流过大都会对电瓶的寿命有一定的影响。因此对蓄电池的充放电进行合理规划和控制是光伏充电系统中必不可少的环节。
(3) 控制器。控制器的作用是对太阳能电池、蓄电池电压、市电电源和LED 负载进行总体监控。为蓄电池提供最佳的充电电流和电压, 同时保护蓄电池, 避免过充电和过放电现象的发生。需要时完成太阳能电池和市电2 个电源之间的转换, 保证LED 负载稳定可靠的工作。
以处理器为核心的控制器结构可以给系统带来极大的可配置型, 增强系统的应用范围。
(4) LED 照明光源。半导体LED 照明光源是系统的重要组成部分。LED 应保证亮度高, 亮度辐射范围大且均匀, 所使用的白光LED 数量少。控制器中的负载控制策略和LED 驱动电路的设计直接决定了系统的照明效果。因此, 需要根据LED 响应速度快和低压直流驱动等特性, 选择合适的驱动方案及控制策略, 实现与蓄电池电压的匹配, 以充分发挥LED 照明的优点。
(5) 市电电源。在出现阴雨天时, 蓄电池不能及时充电, 出现蓄电池电压不足, 不能正常向负载供电时, 由开关电源将220 V 交流市电变换成低压直流电, 供LED 负载使用。控制器系统设计中为市电电源提供了一个低压直流电输入接口。
2 处理器需求分析
控制器是系统的核心部分, 系统工作过程通过它进行管理和控制。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED 负载半功率控制等主要功能。而处理器又是控制器的核心。其负责根据程序指挥控制器中元器件实现控制器的上述功能。
在此设计的太阳能LED 照明控制系统供街道和住宅小区照明使用, 设计控制器中的处理器具有如下功能:
(1) 支持5 V 直流系统工作电压;
(2) 可提供输出接口, 控制状态指示灯或显示屏指示工作状态;
(3) 可提供输入接口, 接受外部按键输入;
(4) 可控制大功率MOS 管支持最大至
(5) 可提供直流、脉冲两种充电方式的控制;
(6) 可精确计时以提供深夜使半导体照明灯具亮度减半的功能;
(7) 可接收一路A/ D 转换器指示, 能检测蓄电池的电压, 对蓄电池的充、放电过程进行控制, 并当蓄电池电量不足时, 自动切换到市电电源供电;
(8) 可接收另一路A/ D 转换器指示, 能检测太阳能电池的电压, 自动转换工作模式;
(9) 可提供运算指令以计算各输入信号关系判断系统运行转态;
(10) 可提供跳转指令以使控制器在各状态间切换;
(11) 可暂存状态标志, 以供处理器智能判断状态;
(12) 低功耗设计以提高控制器在系统中的工作效率;
根据以上需求给出处理器的设计目标: 采用精简指令集设计; 采用流水线设计以实现低功耗; 具有寄存器堆; 具有IO 接口; 具有PWM 功能模块; 具有定时器模块。
3 指令集设计
在本系统中, 处理器要对AD 以及按键的输入量进行处理。这些输入数据位宽小且处理过程为常规运算,不需要进行使用高级数学算法进行繁杂的数据运算。所以本设计采用精简指令集(RISC) 的设计方法。
精简指令集具如下特点为: 指令系统的规模较小且复杂程度小; 操作数预存在寄存器中; 指令格式统一; 避免不必要的存储器访问。
采用RISC 指令集设计可直接减小芯片面积, 节省成本, 减少开发人员的开发与维护开销。是嵌入式设备处理器的主流设计方法。
本处理器具有load/ store 结构, 也就是说与主存储器通信只能通过LOAD 和STORE 指令进行。运算操作数只与寄存器组有关, 而并不在主存储器上。TOP2的指令分为4 类: 运算指令、寄存器指令、跳转指令、存储器指令, 如表1 所示。
针对太阳能LED 照明控制系统的处理器指令集设计考虑到功耗及面积成本, 只包含6 条运算指令, 没有连续移位指令和硬件乘法器。经测试本指令集可满足上一节所述对处理器的功能需求。
作为RISC 体系的特点之一就是指令格式简单规则, 笔者遵循这一原则, 指令集中的11 条指令均为4 位操作码和12 位操作目标位 。