引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路電壓電流、蓄電池溫度、太陽(yáng)光光強(qiáng)變化等，為光伏控制器提供MPPT追蹤、能量管理的計(jì)算和判斷依據(jù)。文中設(shè)計(jì)了基于低功耗MSP430F149芯片的獨(dú)立光伏發(fā)電裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用CHV一25P霍爾電壓傳感器采集電壓信號(hào)，用CHB-25NP霍爾電流傳感器采集電流信號(hào)，用PTl00鉑電阻采集溫度信號(hào)，用光敏電阻采集太陽(yáng)光光強(qiáng)變化信號(hào)，所采樣信號(hào)以模擬信號(hào)的形式傳輸?shù)組SP430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶屏就地顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB串行總線傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)，通過(guò)LabVIEw監(jiān)控系統(tǒng)顯示并記錄。系統(tǒng)通信采用結(jié)合CRC校驗(yàn)的定制Modbus—RTU協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、智能控制器（以MSP430F149為核心）、液晶顯示器、擴(kuò)展USB接口、USB通訊電纜、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。MSP430F149是具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)，它具有豐富的外圍設(shè)備，MSP430F149芯片集成了精密硬件乘法器、2路USART通信端口、一個(gè)12位的A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位的定時(shí)器、6路并行輸入輸出口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器等。在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，智能控制器完成數(shù)據(jù)采集和決策控制（MPPT追蹤、能量管理）兩大功能。智能控制器應(yīng)用MSP430F149內(nèi)部12位A／D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波等處理，經(jīng)算法分析做出決策，MSP430F149內(nèi)部定時(shí)器的比較模式產(chǎn)生PWM波輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC／DC變換器。IO口輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制電路保護(hù)繼電器等。文中介紹其數(shù)據(jù)采集功能。

系統(tǒng)采集7路信號(hào)，分別為太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓、輸出電流、表面溫度，蓄電池的充電電壓、充電電流、溫度以及太陽(yáng)光光照強(qiáng)度變化信號(hào)。對(duì)于電流電壓信號(hào)，系統(tǒng)要求精度高、線性度好、響應(yīng)快，如實(shí)反映檢測(cè)量。系統(tǒng)選用霍爾電壓和電流傳感器檢測(cè)電壓電流信號(hào)，用Ptl00鉑電阻檢測(cè)溫度信號(hào)，用光敏電阻MG45檢測(cè)太陽(yáng)光光強(qiáng)變化信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)智能控制器處理后送液晶顯示器就地顯示，同時(shí)通過(guò)USB串口送上位機(jī)由LabVIEW監(jiān)測(cè)程序以更為直觀的圖形顯示數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)。

2硬件設(shè)計(jì)

文中以MSP430F149芯片為核心設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件，芯片的主要資源配置如下：配置P6．0—P6．6為采樣信號(hào)輸入端口；配置P2口連接液晶顯示器LCDl2864的8位數(shù)據(jù)總線端口；配置P5．4-P5．7為液晶顯示器的LCD—RS、LCD—R／W、LCD—E和LCD—RESET控制端；配置P3．4-P3．5為CP2102芯片的通信端（注意要交叉連接）；配置P4．3為PWM信號(hào)輸出端。以下主要介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采樣電路、USB串口通信電路。

2．1電壓采樣電路

獨(dú)立光伏系統(tǒng)對(duì)電壓和電流的采樣精度要求比較高，設(shè)計(jì)采用字波模塊CHV-25P／50A和CHB-25NWSP6測(cè)量電壓和電流。這兩個(gè)模塊根據(jù)霍爾原理制成，采用磁平衡工作方式。霍爾電流電壓傳感器模塊有優(yōu)越的電性能，具有精度高、線性度好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等優(yōu)點(diǎn)。

2．2電流采樣電路

2．4光強(qiáng)采樣電路

光敏電阻在受到太陽(yáng)光照射時(shí)，其電阻率會(huì)隨光照強(qiáng)度的改變而變化。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，其電阻值會(huì)顯著減小，光照越強(qiáng)，阻值越低。在一定照度下，光敏電阻兩端所加電壓和流過(guò)其的電流的關(guān)系稱為伏安特性。光敏電阻的伏安特性呈良好的線性關(guān)系，且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。

光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性，其光電特性在光照強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)不完全是線性關(guān)系。但因其成本低，綜合其伏安特性和光電特性，經(jīng)一定的軟件處理，可用光敏電阻近似的測(cè)量光照強(qiáng)度。

圖5為應(yīng)用光敏電阻MC，45監(jiān)測(cè)光強(qiáng)變化信號(hào)的電路圖。光敏電阻在光照改變條件下阻值變化非常靈敏，隨其阻值變化測(cè)量點(diǎn)的電壓相應(yīng)會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)電壓改變可知太陽(yáng)光強(qiáng)度變化。在測(cè)量電路后加一級(jí)電壓跟隨器，增強(qiáng)了測(cè)量穩(wěn)定性。

2．5 USB串口通倍電路

由于USB接口連接方式通用，應(yīng)用簡(jiǎn)便，該設(shè)計(jì)中用高精度的USB—UART橋接器芯片CP2102將MSP430F149的UARTO口擴(kuò)展成USB通信口，單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信通過(guò)USB電纜實(shí)現(xiàn)。其硬件電路圖如圖6所示。

3軟件設(shè)計(jì)

以MSP430F149為核心的智能控制器除完成數(shù)據(jù)采集功能外還完成決策控制功能，以下介紹數(shù)據(jù)采集釋序，包括A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理，USB串口通信和上位機(jī)程序。

3.1基于M5P43U的數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計(jì)

利用MSP430F149內(nèi)置多路通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，ADC12以定時(shí)中斷的方式進(jìn)行7路信號(hào)采樣。在NSPA3UF149單片機(jī)主程序系統(tǒng)初始化時(shí)完成ADC12的初始化，其初始化程序?yàn)椋?/p>

系統(tǒng)初始化完成之后，ADC12以定時(shí)中斷方式開(kāi)始工作。其中斷優(yōu)先級(jí)為最高級(jí)，程序流程如圖7所示。

3.2 USB串口通信和上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。在下位機(jī)中編寫(xiě)串門(mén)通信程字時(shí)，對(duì)USB串口的操作等同于對(duì)UART串口的操作;下位機(jī)通過(guò)USB電纜連接到上位機(jī)并安裝驅(qū)動(dòng)程序后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)虛擬的COM口，在上位機(jī)中編寫(xiě)串口程序時(shí)對(duì)該COM口的操作也等同于對(duì)普通串口的操作。系統(tǒng)通信程序采用結(jié)合CRC16校驗(yàn)的定制Modbus-RTU協(xié)議。系統(tǒng)的單片機(jī)通信程序是在IAR環(huán)境下用c語(yǔ)言編寫(xiě)的。通信程序以中斷方式實(shí)現(xiàn)，包括發(fā)送VISA斷程序和接收中斷程序。在LabVIEW軟件環(huán)境下，通過(guò)對(duì)VISA庫(kù)中節(jié)點(diǎn)的配置和連接開(kāi)發(fā)出符合要求的LabVIEW串行口通信軟件，通過(guò)可視化編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的LabVIEW監(jiān)控程序，程序界面如圖8所示：

4結(jié)束語(yǔ)

文中利用多種傳感器設(shè)計(jì)了基于低功耗芯片MSP430F149的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)可快速可靠的采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，所采集數(shù)據(jù)就地顯示于液晶顯示器，同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)便的USB電纜傳輸?shù)缴衔粰C(jī)LabVIEW監(jiān)控程序進(jìn)行直觀的圖形顯示記錄。系統(tǒng)已通過(guò)調(diào)試并應(yīng)用于實(shí)際裝置，實(shí)踐表明該系統(tǒng)有良好的數(shù)據(jù)采集精度和可靠性，功耗低，可廣泛應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)中。

編輯：hfy