【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，并需定期更換蓄電池等缺點(diǎn)。 3 光伏電池 光伏電池的工作原理 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池般是實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，光伏電池陣列是多個(gè)特性相同的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)后構(gòu)成的，一是由半導(dǎo)體材料制成的，其特性與二極管類似。光伏電池單體實(shí)際上是一個(gè) PN 結(jié)， PN 結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，中間處有一個(gè)耗散層存在著勢(shì)壘電場(chǎng)，形成了方向由 N 指向 P 區(qū)的電場(chǎng)。當(dāng)太陽光照射到 PN 結(jié)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定量的電子和空穴對(duì)， N 區(qū)就有過剩的電子，這樣就形成了光生電動(dòng)勢(shì)，其方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反。光生電動(dòng)勢(shì)使 P 區(qū)和 N區(qū)分別帶正負(fù)電，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。這樣如果用導(dǎo)線連接兩個(gè)電極，就會(huì)有“光生電流”流過，從而產(chǎn)生電能。 光伏電池的分類 光伏電池多用于半導(dǎo)體固體材料制造，也有用半導(dǎo)體家電解質(zhì)的光電化學(xué)電池，發(fā)展至今種類繁多，無論采用何種材料生產(chǎn)光伏電池，它們對(duì)材料的一般要求是：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，而且材料的性能要穩(wěn)定。按電池結(jié)構(gòu)分類如下。 （ 1）異質(zhì)結(jié) 光伏電池。由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，在相接的界面上形成一個(gè)異質(zhì) PN 結(jié)。像硫化亞銅光伏電池、硫化鎘光伏電池都為異質(zhì)結(jié)光伏電池。 （ 2）同質(zhì)結(jié)光伏電池。在同一個(gè)半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè) PN 結(jié)。像砷化鎵光伏電池、硅光伏電池都為同質(zhì)光伏電池。 （ 3）肖特基光伏電池。指用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的光伏電池（又稱 MS 光伏電池）。其原理是基于在一定條件下金屬 — 半導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生類似于 PN 結(jié)可整流接觸的肖特基效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的電池現(xiàn)已發(fā)展成為金屬 — 氧化物 — 半導(dǎo)體光伏電池（ MOS 光伏電池）、金屬 — 絕緣體 — 半導(dǎo)體光伏電池（即 MIS 光伏電池）等。 （ 4）薄膜光伏電池。指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料撲在非報(bào)道提的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種光伏電池大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以 μ m計(jì)）從而大大地降低了光伏電池的成本?？捎糜跇?gòu)成薄膜光伏電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘以及 CIS 等，其中以多晶硅薄膜光伏電池性能較優(yōu)。 （ 5）疊層光伏電池。指將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成的光伏電池。鑒于波長(zhǎng)短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特點(diǎn)，充分利用太陽光中不同波長(zhǎng)的光，通常是讓波長(zhǎng)最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光線能夠透射進(jìn)去讓下邊禁帶較窄的材料電池吸收，這就有可能最大限度地將光能變成電能。 （ 6）濕式光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。這種形式的電池不但可以減少半導(dǎo)體材料的消耗，還未建筑物和太陽能應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。 按電池材料分類： （ 1） 硅光伏電池：包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中單晶硅材料結(jié)晶完整，載流子遷移率高，串聯(lián)電阻小，光電轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá) 20%左右，但成本比較昂貴。多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。由于在這種材料中的正負(fù)電荷有一部分會(huì)因晶體晶界連接的不規(guī)則性而損失，所有不能全部被PN 結(jié)電場(chǎng)分離，使之效率一般要比單晶硅光伏電池低。但多晶硅光伏電池成本較低。多晶硅材料又分為帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種類型。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。而非晶硅光伏電池是采用內(nèi)部原子排列“短程有序而長(zhǎng)程無序”的非晶體 硅材料（簡(jiǎn)稱 α — Si）制成。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。其造價(jià)低低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池，目前主要用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等的電池。 （ 2）非硅半導(dǎo)體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池。硫化鎘分單晶或多晶兩種，它常與其他半導(dǎo)體材料合成使用，如硫化亞銅 /硫化鎘光伏電池、碲化鎘 /硫化鎘光伏電池、銅銦硒 /硫化鎘光伏電池等。而砷化鎵具有較好的溫度特性，理論效率高，較適合于制成太空光伏電池。即采用同質(zhì)結(jié)形式也可以采用異質(zhì)結(jié)形式，既可采用單晶切片結(jié)構(gòu)也可采用薄膜結(jié)構(gòu) 以制成光伏電池。 （ 3）有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池：用含有一定數(shù)量的碳 — 碳鍵，導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格便宜、輕便，易于大規(guī)模生產(chǎn)。 基于 DSP 的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 自 20世紀(jì) 60年代以來，數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processing， DSP）日漸成為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，并在多項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)了傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理系統(tǒng)。與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、快速、坑干擾能力強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多設(shè)備采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用 TI公司推出的 TMS320F2812芯片。 數(shù)字信號(hào)處理器是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫奶幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、綜合、估計(jì)與識(shí)別等加工處理，從而達(dá)到拾取信息和控制的目的。數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)現(xiàn)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理理論發(fā)展為基礎(chǔ)的 ，在其發(fā)展歷程中，有兩件事加速了 DSP技術(shù)的發(fā)展。其一是 Cooley和 Tuckey對(duì)離散傅立葉變換的有效算法的解密，另一個(gè)就是可編程數(shù)字信號(hào)處理器在 20世紀(jì) 60年代的引入。這種采用哈佛結(jié)構(gòu)的處理器能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成乘法累加運(yùn)算，與采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的處理器相比有了本質(zhì)的改進(jìn)，為復(fù)雜信號(hào)處理算法和控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái) [11]。 DSP 概述 一、 DSP 內(nèi)部結(jié)構(gòu) TMS320F2812 處理器有較高的運(yùn)算精度（ 32 位）以及系統(tǒng)的處理能力（達(dá)到150MIPS）。這種芯片集成了 128KB 的 Flash 儲(chǔ)存器， 4KB 的引導(dǎo) ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及 2KB 的 OTPROM，因此能夠大大改善其應(yīng)用的靈活性。其功能結(jié)構(gòu)框如圖 所示。 圖 DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu) 通過 DSP 的結(jié)構(gòu)可以歸納出 DSP 的以下特點(diǎn)： COMS 技術(shù)，主頻達(dá) 150MHz（時(shí)鐘周期 ）、功耗低、 Flash 編程電壓為 。 JTAG 邊界掃描接口。 32位 CPU，哈佛結(jié)構(gòu)、快速中斷響應(yīng)和處理能力、統(tǒng)一尋址模式、高效的代碼轉(zhuǎn)換功能。 ，最多達(dá) 128K 16 位的 Flash 存儲(chǔ)器 。引導(dǎo)（ BOOT） ROM,外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口。 ，支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)節(jié)的倍頻系數(shù)、片上振蕩器、看門狗。三個(gè)外部中斷，外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊（ PIE）支持 45 個(gè)外設(shè)中斷、三個(gè) 32 位CPU 定時(shí)器、 128位保護(hù)密碼。 ，每一個(gè)事務(wù)管理器包括：兩個(gè) 16 位的通用定時(shí)器； 8通道 16 位的 PWM；不對(duì)稱、對(duì)稱或者四個(gè)矢量 PWM 波形發(fā)生器；死區(qū)產(chǎn)生和配置單元；外部可屏蔽功率或驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷；三個(gè)完全比較單元；三個(gè)捕捉單元，捕捉外部事件；同步模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。 ，串行外設(shè)接口（ SPI）、兩個(gè) UART 接口模塊（ SCI）、增強(qiáng)的 接口模塊、多通道緩沖串口（ McBSP）。 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 2 8 通道復(fù)用輸入接口、兩個(gè)采樣保持電路、單 /連續(xù)通道轉(zhuǎn)換、流水線最快轉(zhuǎn)換周期為 60ns,單通道最快轉(zhuǎn)換周期 200ns、可以使用兩個(gè)事件管理器順序觸發(fā) 8 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 56 個(gè)可配置通用目的 I/O 引腳，先進(jìn)的仿真調(diào)試功能，低功耗模式和省點(diǎn)模式。 二、 DSP 外圍設(shè)備 TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備，內(nèi)核 需要某種方式來讀 /寫外設(shè)。因此， CPU 將所有的外設(shè)都映射到了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。每個(gè)外設(shè)被分配一段相應(yīng)的地址空間，主要包括配置寄存器、輸入寄存器和狀態(tài)寄存器。 DSP 外設(shè)部分的連接如圖 。 圖 DSP外圍設(shè)備 DSP 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 一、時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 通過晶振電路的作用為 DSP 系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。為了節(jié)約成本，利用DSP 芯片內(nèi)部的振蕩器電路，與無源晶體、起振電容一起連接成三點(diǎn)式振蕩器來產(chǎn)生穩(wěn)定時(shí)鐘。連接起振電容是為了保證正常的起振，對(duì)振蕩頻率的影響極小。無源晶振需要借助 于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)相對(duì)于晶振而言其缺陷是信號(hào)質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路，更換不同頻率的晶體時(shí)周邊配置電路需要相應(yīng)的調(diào)整。因?yàn)榫д竦念l率越高 DSP 運(yùn)行速度就越快，越能夠滿足 DSP 處理能力的要求。其電路連接如圖 。 圖 DSP芯片和時(shí)鐘晶振 通過按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)按鈕 S10 按下時(shí)，將電容 C26 上的電荷通過按鈕串接的電阻釋放掉，使電容 C26 上的電壓降為 0。當(dāng)按鈕松開時(shí)，由于電容上的電壓不能突變，所以通過電阻 R22 進(jìn)行充電，充電時(shí)間由 R22 和 C26的乘積值決定，一般要求大于 5個(gè)外部時(shí)鐘周期。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕復(fù)位。其電路原路如圖 。 圖 二、 JTAG 接口電路和輔助電源 JTAG 是 JOINT TEST ACTION GROUP 的簡(jiǎn)稱，是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線 —— TMS、 TDI、 TDO、 TCK，分 別是模式選擇、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘。 JTAG 的工作原理：在器件內(nèi)部定義一個(gè) TAP（ TEST ACCESS PORT，測(cè)試訪問口），通過專用的 JTAG 測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。 JTAG 接口用于連接 DSP 系統(tǒng)板和仿真器，實(shí)現(xiàn)仿真器 DSP 訪問， JTAG 的接口必須和仿真器的接口一致，否則將無法連接上仿真器。 EMUO和 EMUI要上拉到 DSP的電源，其連接如圖 。 圖 JTAG接口電路 TMS320F2812 采用了雙電源供電機(jī)制，以獲得更好的電源性能，其工作電壓為 和 。其中， 主要為該器件的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括 CPU和其他所有的外設(shè)邏輯。與 供電相比， 供電大大降低功耗。外部接口引腳仍然采用 電壓，便于直接與外部低壓器件接口。為 TPS767D318 提供 5V輸入，就可以得到輸出電壓分別為 和 ，每路的最大輸出電流為 750mA，并且提供兩個(gè)寬度為 200ms 的低電平復(fù)位脈沖。其設(shè)計(jì)原理圖如圖 。 圖 輔助電源電路 三、 2路串行通信 SCI 接口電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路 2 路串行通信接口（ SCI）是采用雙線通信的異步 串行通信接口，即通常所說的 UART 口。為了減少串口通信時(shí) CPU 的開銷， TMS320F2812 的串口支持 16級(jí)接受和發(fā)送 FIFO。 SCI 模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸 0數(shù)據(jù)格式，可以與 CPU 或其他通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信。當(dāng)不使用 FIFO 時(shí)， SCI 接收器和發(fā)送器采用雙級(jí)緩沖傳送數(shù)據(jù)， SCI 接收器有自己的獨(dú)立使能和中斷位，可以獨(dú)立操作，在全雙工模式下也可以同時(shí)操作。其接線如圖 所示。 圖 2路串行通信 SCI接口 A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路是用來把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成 TMS320F2812芯片所能識(shí)別的工作數(shù) 字信號(hào)。通常模擬信號(hào)的采集需要用到電壓互感器、電流互感器、壓力傳感器、霍爾元件等把大的信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，然后經(jīng)過調(diào)理電路才能送入DSP。 A/D 轉(zhuǎn)換調(diào)理電路與 DSP 的連接如圖 所示。 圖 A/D轉(zhuǎn)換電路 四、電平轉(zhuǎn)換和緩沖電路 在新一代電子電路設(shè)計(jì)中 ， 隨著低電壓邏輯的引入 ， 系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問題 ， 從而提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如 ， 當(dāng) 的 數(shù)字電路 與 工作 在 的模擬 電路 進(jìn)行 通信 時(shí) ， 需要首先解決兩種 電平 的轉(zhuǎn)換問題 ，這時(shí)就需要電平轉(zhuǎn)換器。 由于 TMS320F2812采用的是 ，所以 MAX202E與 TMS320F2812 芯片之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路。電平轉(zhuǎn)換電路與 DSP之間的連線如圖 所示。 圖 緩沖電路的作用是用來解決電路中信號(hào)可能受到大的干擾，產(chǎn)生大的脈沖波，用來消除干擾，減少對(duì)控制芯片內(nèi)部器件沖擊，其連接電路如圖 所示。 圖 五、片外擴(kuò)展 RAM 由于本設(shè)計(jì)中的 DSP 采集的數(shù)據(jù)較多，對(duì)處理存儲(chǔ)容量有一定的要求，所以需要外接一塊 RAM 來擴(kuò)展容量。本設(shè)計(jì)選用 CY7C1021（ 64K）的片外 RAM，只需將它的 A0A15 引腳直接和 DSP 的 XA0XA15 數(shù)據(jù)線相連， IO0IO15 與 DSP 的XD0XD15 地址線相連。其余管腳的連接如圖 。 圖 RAM 4 主電路拓?fù)浼半娐分饕獏?