太陽能是一種清潔的綠色能源，半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源。將LED技術(shù)和太陽能技術(shù)相結(jié)合在一起，開發(fā)太陽能半導(dǎo)體照明，是最佳的節(jié)能、環(huán)保組合，是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。研究開發(fā)利用太陽能LED照明技術(shù)將是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策，意義重大。

　　本文的研究對象是太陽能LED照明控制系統(tǒng)控制器中的處理器。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED負(fù)載半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠處理器的運(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)上述功能的。

　　1、系統(tǒng)構(gòu)成

　　太陽能LED照明控制系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、系統(tǒng)控制器、LED照明負(fù)載和市電電源5部分組成，系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時，由蓄電池向LED負(fù)載供電，在蓄電池電壓不足時，由市電(備用電源)直接向LED負(fù)載供電，避免了蓄電池電壓不足時LED負(fù)載不亮的情況。有了市電作為備用電源，在設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)降低蓄電池的容量，降低成本。同時避免了由于利用太陽能而導(dǎo)致的市電資源的浪費(fèi)，達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求。

　　系統(tǒng)工作時通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，但是由于太陽能電池的輸出受溫度和太陽輻射強(qiáng)度影響很大，輸出功率不穩(wěn)定，因而在太陽輻射強(qiáng)度足夠大的時(白天)需要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲存起來，以便在需要照明時(晚上)向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)中，控制器是其核心部分，系統(tǒng)工作時通過控制器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制和對蓄電池充放電過程的管理，以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定可靠地工作。

　　系統(tǒng)各個組成部分的主要功能如下：

　　(1)太陽能電池。由許多太陽能電池組件串、并聯(lián)而成，其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦(Wp)，也可達(dá)數(shù)個兆峰瓦(Wp)甚至更大，組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類型的太陽能電池組成。一般來說，光伏陣列由于多為半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。

　　(2)蓄電池組。蓄電池也稱電瓶，是太陽能LED照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。一般是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成，其容量的選擇應(yīng)與太陽能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲存太陽能陣列所產(chǎn)生的電能，晚上把儲存的能量釋放出來，供負(fù)載照明使用。它的最佳充電電流和放電電流，一般按10h充、放電率計(jì)算。

　　由于蓄電池對電壓的波動具有/緩沖0作用，還可使得負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價格低等優(yōu)點(diǎn)，但若使用不當(dāng)，很容易加速蓄電池的老化，使蓄電池的壽命急劇縮短，造成系統(tǒng)運(yùn)行成本的增加，充、放電電流過大都會對電瓶的壽命有一定的影響。因此對蓄電池的充放電進(jìn)行合理規(guī)劃和控制是光伏充電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。

　　(3)控制器。控制器的作用是對太陽能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED負(fù)載進(jìn)行總體監(jiān)控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，同時保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。需要時完成太陽能電池和市電2個電源之間的轉(zhuǎn)換，保證LED負(fù)載穩(wěn)定可靠的工作。

　　以處理器為核心的控制器結(jié)構(gòu)可以給系統(tǒng)帶來極大的可配置型，增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

　　(4)LED照明光源。半導(dǎo)體LED照明光源是系統(tǒng)的重要組成部分。LED應(yīng)保證亮度高，亮度輻射范圍大且均勻，所使用的白光LED數(shù)量少。控制器中的負(fù)載控制策略和LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)直接決定了系統(tǒng)的照明效果。因此，需要根據(jù)LED響應(yīng)速度快和低壓直流驅(qū)動等特性，選擇合適的驅(qū)動方案及控制策略，實(shí)現(xiàn)與蓄電池電壓的匹配，以充分發(fā)揮LED照明的優(yōu)點(diǎn)。

　　(5)市電電源。在出現(xiàn)陰雨天時，蓄電池不能及時充電，出現(xiàn)蓄電池電壓不足，不能正常向負(fù)載供電時，由開關(guān)電源將220V交流市電變換成低壓直流電，供LED負(fù)載使用。控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為市電電源提供了一個低壓直流電輸入接口。

    2、處理器需求分析

　　控制器是系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)工作過程通過它進(jìn)行管理和控制。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED負(fù)載半功率控制等主要功能。而處理器又是控制器的核心。其負(fù)責(zé)根據(jù)程序指揮控制器中元器件實(shí)現(xiàn)控制器的上述功能。

　　在此設(shè)計(jì)的太陽能LED照明控制系統(tǒng)供街道和住宅小區(qū)照明使用，設(shè)計(jì)控制器中的處理器具有如下功能：

　　(1)支持5V直流系統(tǒng)工作電壓；

　　(2)可提供輸出接口，控制狀態(tài)指示燈或顯示屏指示工作狀態(tài)；

　　(3)可提供輸入接口，接受外部按鍵輸入；

　　(4)可控制大功率MOS管支持最大至9A的充放電電流；

　　(5)可提供直流、脈沖兩種充電方式的控制；

　　(6)可精確計(jì)時以提供深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能；

　　(7)可接收一路A/D轉(zhuǎn)換器指示，能檢測蓄電池的電壓，對蓄電池的充、放電過程進(jìn)行控制，并當(dāng)蓄電池電量不足時，自動切換到市電電源供電；

　　(8)可接收另一路A/D轉(zhuǎn)換器指示，能檢測太陽能電池的電壓，自動轉(zhuǎn)換工作模式；

　　(9)可提供運(yùn)算指令以計(jì)算各輸入信號關(guān)系判斷系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)；

　　(10)可提供跳轉(zhuǎn)指令以使控制器在各狀態(tài)間切換；

　　(11)可暫存狀態(tài)標(biāo)志，以供處理器智能判斷狀態(tài)；

　　(12)低功耗設(shè)計(jì)以提高控制器在系統(tǒng)中的工作效率；

　　根據(jù)以上需求給出處理器的設(shè)計(jì)目標(biāo):采用精簡指令集設(shè)計(jì);采用流水線設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低功耗;具有寄存器堆；具有IO接口；具有PWM功能模塊;具有定時器模塊。

　　3、指令集設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)中，處理器要對AD以及按鍵的輸入量進(jìn)行處理。這些輸入數(shù)據(jù)位寬小且處理過程為常規(guī)運(yùn)算，不需要進(jìn)行使用高級數(shù)學(xué)算法進(jìn)行繁雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。所以本設(shè)計(jì)采用精簡指令集(RISC)的設(shè)計(jì)方法。

　　精簡指令集具如下特點(diǎn)為：指令系統(tǒng)的規(guī)模較小且復(fù)雜程度小；操作數(shù)預(yù)存在寄存器中；指令格式統(tǒng)一；避免不必要的存儲器訪問。

　　采用RISC指令集設(shè)計(jì)可直接減小芯片面積，節(jié)省成本，減少開發(fā)人員的開發(fā)與維護(hù)開銷。是嵌入式設(shè)備處理器的主流設(shè)計(jì)方法。

　　本處理器具有l(wèi)oad/store結(jié)構(gòu)，也就是說與主存儲器通信只能通過LOAD和STORE指令進(jìn)行。運(yùn)算操作數(shù)只與寄存器組有關(guān)，而并不在主存儲器上。TOP2的指令分為4類:運(yùn)算指令、寄存器指令、跳轉(zhuǎn)指令、存儲器指令，如表1所示。

　　針對太陽能LED照明控制系統(tǒng)的處理器指令集設(shè)計(jì)考慮到功耗及面積成本，只包含6條運(yùn)算指令，沒有連續(xù)移位指令和硬件乘法器。經(jīng)測試本指令集可滿足上一節(jié)所述對處理器的功能需求。

　　作為RISC體系的特點(diǎn)之一就是指令格式簡單規(guī)則，遵循這一原則，指令集中的11條指令均為4位操作碼和12位操作目標(biāo)位。

        4、處理器結(jié)構(gòu)

　　處理器主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面具體介紹處理器各部分。

　　4.1 存儲結(jié)構(gòu)

　　本處理器的存儲結(jié)構(gòu)采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)。這是嵌入式處理器中被廣泛采用的結(jié)構(gòu)，如ARM、MIPS等。特別適用于采用RISC指令集的處理器。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:程序指令存儲通路與數(shù)據(jù)指令存儲通路物理上是分離的。使得兩個存儲器可以獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，從而避免了程序訪問與數(shù)據(jù)訪問之間產(chǎn)生的相關(guān)性沖突。這中并行設(shè)計(jì)架構(gòu)相當(dāng)于提高了1倍的吞吐量，從而提高了處理器性能。

　　4.2  流水線結(jié)構(gòu)

　　基于哈佛存儲結(jié)構(gòu)，處理器核心的設(shè)計(jì)采用5級流水線(pipe2line)結(jié)構(gòu)分別是:取指令級(IF)、譯碼級(ID)、寄存器訪問級(LO)、運(yùn)算級(EX)、回寫級(WB)。流水線的設(shè)計(jì)方法在高性能大規(guī)模系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，其實(shí)際上就是把規(guī)模較大、層次較多的組合邏輯分為幾個級，在每一級插入寄存器并暫存中間數(shù)據(jù)。這樣做大大地增加了時鐘周期的利用率，最大限度地發(fā)揮電路潛能。在不提高時鐘頻率的前提下提高了處理器效率，可以實(shí)現(xiàn)在同等效率下相對于非流水線設(shè)計(jì)功率可降低25倍，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

　　4.3 片內(nèi)其他模塊

　　整個芯片是圍繞著流水線核心實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求，處理器要實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時以及脈沖充電方式。為了實(shí)現(xiàn)這兩種功能，在流水線核心的基礎(chǔ)上添加了兩個可獨(dú)立流水線運(yùn)行的模塊:TIMER(定時器)和PWM(脈寬調(diào)制)。TIMER模塊是16位定時器，時鐘源采用32768Hz晶振。其可以準(zhǔn)確分辨1s時間單位，誤差低，可為本系統(tǒng)長年室外穩(wěn)定工作提供支持。定時器可以供中斷和查詢2種操作方式，以供系統(tǒng)后期的靈活配置。PWM是脈沖調(diào)制模塊。其功能是產(chǎn)生占空比可變的方波，以驅(qū)動大功率MOS管進(jìn)行脈沖充電。其占空比變化范圍為0~100%，步長1%。本模塊減輕了處理器流水線部分的負(fù)擔(dān)，使脈沖驅(qū)動可與其他控制信號并行執(zhí)行，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　處理器片內(nèi)還包含通用I/O控制單元。此單元完成對管腳數(shù)據(jù)方向的控制，并為輸出數(shù)據(jù)提供保持功能，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。此單元對外部異步信號域與內(nèi)部同步信號域進(jìn)行隔離。避免產(chǎn)生信號毛刺，簡化時序分析。

　　5、仿真與實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)了所需求功能。

　　5.1 仿真

　　在太陽能LED照明控制系統(tǒng)中，控制器所需要面對的指令流主要有三種:運(yùn)算指令流(順序執(zhí)行)、分支跳轉(zhuǎn)指令流、循環(huán)指令流。

　　5.1.1 運(yùn)算操作指令流(加法)

　　完成加法指令需要的步驟包括：

　　(1)準(zhǔn)備2個操作數(shù)。這2個操作數(shù)如果已經(jīng)存在于寄存器組中則可以忽略此步驟，如果其中一個或兩個是立即數(shù)或者在存儲器中，則需要MOV指令或LOAD指令完成準(zhǔn)備過程。

　　(2)進(jìn)行運(yùn)算。一條ALU加操作。

　　(3)寫回存儲器。根據(jù)不同的需求會編譯出不同的指令組合，這里以兩立即數(shù)相加結(jié)果存放在寄存器中為例進(jìn)行加法操作。這需要首先執(zhí)行兩條MOVD指令準(zhǔn)備操作數(shù)，之后進(jìn)行加法操作。需要注意的是，在流水線中由于數(shù)據(jù)相關(guān)性問題，在MOVD指令之后ADD指令不能馬上進(jìn)入流水線執(zhí)行。

當(dāng)ADD指令進(jìn)入LO級進(jìn)行取數(shù)操作時，其之前的兩條MOVD指令分別在EX級與WB級運(yùn)行著，此時從寄存器組中取數(shù)是不正確的。所以要把ADD指令推后，等到MOVD指令退出流水線后，方可進(jìn)行取數(shù)。如果是第二條MOVD指令推出流水線時ADD進(jìn)入LO級的話，中間需要間隔3個流水線周期。但實(shí)際上只需間隔兩個流水線周期就夠了。這是由本處理器ALU操作體系決定的。ALU的第一操作數(shù)是從寄存器中直接取出，無需通過LO級。等價于第一操作數(shù)比第二操作數(shù)要快一個流水線周期。所以，這里設(shè)計(jì)讓第一條MOVD指令存儲第二操作數(shù)，當(dāng)此指令完成后，ADD進(jìn)入LO級將第二操作數(shù)取出。經(jīng)過一個流水線周期ADD指令進(jìn)入EX級時，第二條MOVD也把第一操作數(shù)存儲到了寄存器。

　　之后再經(jīng)過兩個周期，運(yùn)算結(jié)果存入寄存器組。

　　從第一條指令輸入到結(jié)果寫入寄存器組共用了10個流水線周期(20個時鐘周期)。考慮到指令串的流水化運(yùn)行，在大段程序中費(fèi)時是指令輸入的5個流水線按周期。實(shí)際上，在這5個流水線周期中的2個間隔周期并不必須為空，只要與本條指令沒有數(shù)據(jù)相關(guān)就可以，例如進(jìn)行兩個存儲器操作。這樣最好情況下一個加法操作只需3個流水線周期。

　　5.1.2分支跳轉(zhuǎn)指令流

　　分支跳轉(zhuǎn)指令是高級語言中經(jīng)常用到的關(guān)鍵語句。現(xiàn)在用跳轉(zhuǎn)指令(JUMPI)來構(gòu)建條件跳轉(zhuǎn)操作。分支跳轉(zhuǎn)語句首先是要判斷條件是否成立，如果條件成立則順序執(zhí)行，如果不成立則跳到下一程序塊執(zhí)行。編譯成處理器的操作碼后變?yōu)?送條件;進(jìn)行比較，置標(biāo)志位；根據(jù)標(biāo)志位跳轉(zhuǎn)。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)一個無內(nèi)容條件結(jié)構(gòu)需要7條語句(7個流水線周期)。其中兩個周期可以插入無關(guān)操作，還有兩個周期可以提前執(zhí)行JUMPI后續(xù)指令。所以最好情況下需要三個流水線周期完成。

　　5.1.3循環(huán)語句

　　循環(huán)語句在高級語言中也是常用語句之一。它的實(shí)現(xiàn)與分支跳轉(zhuǎn)類似，同樣是跳轉(zhuǎn)指令的應(yīng)用。

　　循環(huán)語句中要定義一個條件變量，通過循環(huán)體的運(yùn)行改變條件變量的值，完成后進(jìn)行判斷，符合條件跳出循環(huán)體，否則重新開始循環(huán)體。

　　此種循環(huán)情況下，循環(huán)結(jié)構(gòu)共需7條指令，如條件允許優(yōu)化NOP指令，最好情況下只需3個流水線周期。在時序驗(yàn)證完成后，筆者結(jié)合XILINX公司的Virtex2FPGA，利用Synplify7.5對設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合，綜合報表顯示時鐘頻率最高可到153MHz。

　　5.2 FPGA實(shí)現(xiàn)

　　將設(shè)計(jì)下載至FPGA后，筆者采用名為ChipscopeProAnalyzer的波形觀察工具。ChipscopePro是采用JTAG方式觀察FPGA內(nèi)部的信號，再反映到終端上，與板級驗(yàn)證方法原理一致，而節(jié)省了板級布線時間。

　　將ChipscopePro設(shè)置為arm(伺機(jī)捕獲)狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)條件滿足時捕獲數(shù)據(jù)，并且在緩沖區(qū)填滿后停止捕獲，并將數(shù)據(jù)上傳，由波形窗口顯示出來。

　　觸發(fā)條件(復(fù)位后)滿足時捕獲到的波形圖如圖5所示。所觀察的數(shù)據(jù)共有16位，其中port[0]2port[7]為存儲器地址輸出，port[8]2port[15]為存儲器數(shù)據(jù)輸出。程序數(shù)我們前面所介紹過的加法操作，并且在得到結(jié)果后利用STORE指令輸出到總線上。程序?yàn)椋?/p>

　　MOVDR21B

　　MOVDR110B

　　NOP

　　NOP

　　ADDR3R2

　　NOP

　　NOP

　　STORE11110000BR3　　程序的操作是1加2，結(jié)果為3，將其送到11110000B地址，其后仿真波形如圖6所示。

　　與FPGA中結(jié)果完全相同。設(shè)計(jì)正確。

　　6、結(jié)語

　　本文針對太陽能LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款低功耗面積小的精簡指令集處理器，指令集共包含12條指令。處理器綜合頻率達(dá)150MHz，實(shí)際在板最高工作頻率為100MHz。系統(tǒng)外設(shè)包括計(jì)時器和脈寬調(diào)制模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需功能，完成控制器功能。待下一步進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)后進(jìn)行芯片后端設(shè)計(jì)。