淺談太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)

0 引 言

太陽(yáng)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(yáng)能技術(shù)相結(jié)合在一起， 開(kāi)發(fā)太陽(yáng)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(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能LED 照明技術(shù)將是世界各國(guó)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(duì)象是太陽(yáng)能LED 照明控制系統(tǒng)控制器中的處理器。系統(tǒng)通過(guò)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(yáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

太陽(yáng)能LED 照明控制系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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(shí)， 由蓄電池向LED 負(fù)載供電， 在蓄電池電壓不足時(shí)， 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(shí)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(shí)可以適當(dāng)降低蓄電池的容量， 降低成本。同時(shí)避免了由于利用太陽(yáng)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。

圖1 太陽(yáng)能LED 照明系統(tǒng)組成原理圖

系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能， 但是由于太陽(yáng)能電池的輸出受溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響很大， 輸出功率不穩(wěn)定， 因而在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度足夠大的時(shí)（ 白天） 需要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存起來(lái)， 以便在需要照明時(shí)（ 晚上） 向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽(yáng)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(shí)通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制和對(duì)蓄電池充放電過(guò)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(gè)組成部分的主要功能如下：

（ 1） 太陽(yáng)能電池。由許多太陽(yáng)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(gè)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(yáng)能電池組成。一般來(lái)說(shuō)， 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(yáng)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(yáng)能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲(chǔ)存太陽(yáng)能陣列所產(chǎn)生的電能， 晚上把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，供負(fù)載照明使用。它的最佳充電電流和放電電流， 一般按10 h 充、放電率計(jì)算。

由于蓄電池對(duì)電壓的波動(dòng)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(jià)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(guò)大都會(huì)對(duì)電瓶的壽命有一定的影響。因此對(duì)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?？刂破鞯淖饔檬菍?duì)太陽(yáng)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(shí)保護(hù)蓄電池， 避免過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象的發(fā)生。需要時(shí)完成太陽(yáng)能電池和市電2 個(gè)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(lái)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(dòng)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(dòng)等特性， 選擇合適的驅(qū)動(dòng)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(shí)， 蓄電池不能及時(shí)充電， 出現(xiàn)蓄電池電壓不足， 不能正常向負(fù)載供電時(shí)， 由開(kāi)關(guān)電源將220 V 交流市電變換成低壓直流電， 供LED 負(fù)載使用?？刂破飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)中為市電電源提供了一個(gè)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(guò)程通過(guò)它進(jìn)行管理和控制。系統(tǒng)通過(guò)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(yáng)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(yáng)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5 V 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9 A 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(shí)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(cè)蓄電池的電壓， 對(duì)蓄電池的充、放電過(guò)程進(jìn)行控制， 并當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)， 自動(dòng)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(cè)太陽(yáng)能電池的電壓， 自動(dòng)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(hào)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(jiǎn)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(shí)器模塊。

3 指令集設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中， 處理器要對(duì)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(guò)程為常規(guī)運(yùn)算，不需要進(jìn)行使用高級(jí)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(jiǎn)指令集（RISC） 的設(shè)計(jì)方法。

精簡(jiǎn)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(chǔ)器訪問(wèn)。

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(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)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(shuō)與主存儲(chǔ)器通信只能通過(guò)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(chǔ)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(chǔ)器指令。

針對(duì)太陽(yáng)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(méi)有連續(xù)移位指令和硬件乘法器。經(jīng)測(cè)試本指令集可滿足上一節(jié)所述對(duì)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(jiǎn)單規(guī)則， 筆者遵循這一原則， 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(chǔ)結(jié)構(gòu)

本處理器的存儲(chǔ)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(chǔ)通路與數(shù)據(jù)指令存儲(chǔ)通路物理上是分離的。使得兩個(gè)存儲(chǔ)器可以獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)， 從而避免了程序訪問(wèn)與數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(chǔ)結(jié)構(gòu)， 處理器核心的設(shè)計(jì)采用5 級(jí)流水線（ pipe2line） 結(jié)構(gòu) 分別是： 取指令級(jí)（ IF） 、譯碼級(jí)（ ID） 、寄存器訪問(wèn)級(jí)（ LO） 、運(yùn)算級(jí)（ EX） 、回寫級(jí)（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(gè)級(jí)， 在每一級(jí)插入寄存器并暫存中間數(shù)據(jù)。這樣做大大地增加了時(shí)鐘周期的利用率， 最大限度地發(fā)揮電路潛能。在不提高時(shí)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(duì)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(gè)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(shí)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(gè)可獨(dú)立流水線運(yùn)行的模塊： TIMER（ 定時(shí)器） 和PWM（ 脈寬調(diào)制） 。T IMER 模塊是16 位定時(shí)器， 時(shí)鐘源采用32 768 Hz晶振。

其可以準(zhǔn)確分辨1 s 時(shí)間單位， 誤差低， 可為本系統(tǒng)長(zhǎng)年室外穩(wěn)定工作提供支持。定時(shí)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)可與其他控制信號(hào)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(duì)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(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。此單元對(duì)外部異步信號(hào)域與內(nèi)部同步信號(hào)域進(jìn)行隔離。避免產(chǎn)生信號(hào)毛刺， 簡(jiǎn)化時(shí)序分析。

5 仿真與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)通過(guò)FPGA 實(shí)現(xiàn)了所需求功能。設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

5. 1 仿真

在太陽(yáng)能LED 照明控制系統(tǒng)中， 控制器所需要面對(duì)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(gè)操作數(shù)。這2 個(gè)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(gè)或兩個(gè)是立即數(shù)或者在存儲(chǔ)器中， 則需要MOV 指令或LOAD 指令完成準(zhǔn)備過(guò)程。

（ 2） 進(jìn)行運(yùn)算。一條ALU 加操作。

（ 3） 寫回存儲(chǔ)器。根據(jù)不同的需求會(huì)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(wèn)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(jí)進(jìn)行取數(shù)操作時(shí)， 其之前的兩條MOVD 指令分別在EX 級(jí)與WB 級(jí)運(yùn)行著， 此時(shí)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(shí)ADD 進(jìn)入LO 級(jí)的話， 中間需要間隔3 個(gè)流水線周期。但實(shí)際上只需間隔兩個(gè)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(wú)需通過(guò)LO 級(jí)。等價(jià)于第一操作數(shù)比第二操作數(shù)要快一個(gè)流水線周期。所以， 這里設(shè)計(jì)讓第一條MOVD指令存儲(chǔ)第二操作數(shù)， 當(dāng)此指令完成后，ADD 進(jìn)入LO 級(jí)將第二操作數(shù)取出。經(jīng)過(guò)一個(gè)流水線周期ADD 指令進(jìn)入EX 級(jí)時(shí)， 第二條MOVD 也把第一操作數(shù)存儲(chǔ)到了寄存器。

之后再經(jīng)過(guò)兩個(gè)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(gè)流水線周期（ 20 個(gè)時(shí)鐘周期） ?？紤]到指令串的流水化運(yùn)行， 在大段程序中費(fèi)時(shí)是指令輸入的5 個(gè)流水線按周期。實(shí)際上， 在這5 個(gè)流水線周期中的2 個(gè)間隔周期并不必須為空， 只要與本條指令沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)就可以， 例如進(jìn)行兩個(gè)存儲(chǔ)器操作。這樣最好情況下一個(gè)加法操作只需3 個(gè)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(jí)語(yǔ)言中經(jīng)常用到的關(guān)鍵語(yǔ)句?，F(xiàn)在用跳轉(zhuǎn)指令（ JUMPI） 來(lái)構(gòu)建條件跳轉(zhuǎn)操作。分支跳轉(zhuǎn)語(yǔ)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)椋?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(gè)無(wú)內(nèi)容條件結(jié)構(gòu)需要7 條語(yǔ)句（ 7 個(gè)流水線周期） 。其中兩個(gè)周期可以插入無(wú)關(guān)操作， 還有兩個(gè)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(gè)流水線周期完成。

5. 1. 3 循環(huán)語(yǔ)句

循環(huán)語(yǔ)句在高級(jí)語(yǔ)言中也是常用語(yǔ)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(yǔ)句中要定義一個(gè)條件變量， 通過(guò)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(kāi)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(gè)流水線周期。在時(shí)序驗(yàn)證完成后， 筆者結(jié)合XILINX 公司的Virtex2 FPGA， 利用Synplify 7. 5 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合，綜合報(bào)表顯示時(shí)鐘頻率最高可到153 MHz。

5. 2 FPGA 實(shí)現(xiàn)

將設(shè)計(jì)下載至FPGA 后， 筆者采用名為Chipscope Pr o Analyzer 的波形觀察工具。Chipscope Pro 是采用JTAG 方式觀察FPGA 內(nèi)部的信號(hào)， 再反映到終端上，與板級(jí)驗(yàn)證方法原理一致， 而節(jié)省了板級(jí)布線時(shí)間。

將Chipscope Pro 設(shè)置為arm（ 伺機(jī)捕獲） 狀態(tài)， 當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)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(lái)。

觸發(fā)條件（ 復(fù)位后） 滿足時(shí)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］2por t［ 7］ 為存儲(chǔ)器地址輸出， port［ 8］2port［ 15］ 為存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出。程序數(shù)我們前面所介紹過(guò)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>

MOVD R2 1B

MOVD R1 10B

NOP

NOP

ADD R3 R2

NOP

NOP

ST ORE 11110000B R3

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(yǔ)

本文針對(duì)太陽(yáng)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(jiǎn)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)150 MHz， 實(shí)際在板最高工作頻率為100 MHz。系統(tǒng)外設(shè)包括計(jì)時(shí)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)。

作者：胡杰；吳新義；張志超；董利民；吳武臣

編輯：jq