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。 塑料水塔关键词：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32bit ARM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。
太阳位置算
法
数学模型解算
塔式跟踪算法
GPS
数据
气象数据
PID算法
sv
pv
mv伺服电机
驱动程序
基于
现场检测和执行设备
水平方向
传动机构
保护算法
通讯子程序
镜场控制系统
e
俯仰方向
传动机构
水平方向
伺服电机
俯仰方向
伺服电机
水平方向
伺服驱动器
俯仰方向
伺服驱动器
2路伺服电机
驱动电路伺服电机
状态检测
伺服驱动器
通讯接口
显示屏
图1 塔式太阳能跟踪控制系统结构框图
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。
ARM 嵌入式微处理器
电源电路
t型密封圈数字量输入电路
模拟量输入电路
以太网通讯电路
RS485通讯电路数字量输出电路模拟量输出电路RS232总线通讯电路
时钟电路
存储电路
GPS 电路
看门狗电路
图2 嵌入式塔式太阳能控制器架构图
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 ，64KB
SRAM ，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。
图3 增量型编码器接口电路
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
节能锅
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
。
图4 开关量输入接口电路图
图5 开关量输出接口电路图
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RS
485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6.8V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
胶衣树脂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
。
图6 RS485通信接口电路图
图7 以太网通信接口电路图
图8 嵌入式塔式太阳能控制器软件架构图
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。
表1 测试记录表
时间玻璃垫片
水平角计
算偏差
俯仰角计
算偏差
水平跟踪
偏差
俯仰跟踪
偏差9:00-0.000 10.000 30.030.04 10:000.000 3-0.000 20.010.03 11:000.000 10.000 30.030 12:00-0.000 10.000 05-0.005-0.01 13:000.000 15-0.000 40.020.02 14:000.000 50.000 1-0.010.05 15:0000.000 050.001-0.02 16:00-0.000 20.000 400.05 17:000.000 40.000 10.050.01
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。
