基于FPGA控制的車載光能收集系統

馮梓浩

（廣西師范大學，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著新能源的發展，太陽能發電得到了廣泛的市場關注[1]。但現有市場主要的產品均為太陽能發電板安裝在不同的裝置，由于氣候的因素，實時的光照各不相同，因此大多數相關發電效率不穩定[2]。本文基于一種高性能Stratix III FPGA芯片控制的移動式車載光能收集系統，可實時根據收集到的數據計算出收集太陽能的最佳位置。

1 系統的整體結構

本次項目主要對基于FPGA控制的車載光能收集系統進行研究設計，將FPGA為主控制器，由于FPGA相對于單片機具有并行試行等優點，在實時數據采集與發送數據之間不存在時間差，也就是說系統的收發可以變為一體化，減少中間因為收集采集和發送所損失的太陽能位置信息。同時針對于現有的太陽能板運輸車一般采用鋰電池作為動力，充電時間一般較長，嚴重影響車輛的使用效率，本系統車輛將車頂改為太陽能電池板，能夠實現邊工作邊充電，但是傳統太陽能電池板的安裝位置大多是固定的，而這種方式不能夠根據太陽的位置，進行調整太陽能電池板的照射角度，從而導致充電效率較低，所以存在不便于調節角度的缺陷，為此我們提出新型太陽能板，解決以上提出的問題。

本系統由光照傳感器模塊、電機模塊、GPS模塊、FPAG主控、光伏太陽能板、升壓模塊和儲能電池組成。如圖1所示。

圖1 系統總構成

2 系統的軟硬件總體

2.1 系統總體功能

基于FPGA的車載光伏收集系統其主要作用為通過各模塊間的數據進行角度調整從而使光伏太陽能板的轉化效率提高。由GPS模塊采集車速信息以及光照傳感器模塊采集光所在的方位反饋至FPGA主控芯片中進行處理并發送控制電機調整光伏太陽能板的控制指令，使其面向光強度高的一方；光伏太陽能板將轉化的電能通過升壓模塊升壓到可以電動汽車需要的伏數后，將其儲存在儲能電池中，待電動汽車使用時將其釋放。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 主控制器

要做到快速的同時處理GPS以及光照傳感器模塊反饋的實時數據并發送控制指令，需要一個高算力的芯片；本次采用的芯片為Stratix III高端芯片，該芯片具有優異的特性、極高極快的算力、具有業界最佳的信號完整性和設計安全性、能夠在邏輯陣列模塊 (LAB) 級進行編程符合本次模擬設計。

2.2.2 光伏太陽能板

移動式太陽能收集板，包括調節箱，所述調節箱內腔底部的左側固定安裝有電機，所述電機的輸出端固定連接有螺桿，所述螺桿的右端通過軸承與調節箱的連接處轉動連接，所述螺桿的外表面螺紋連接有套筒，所述套筒的頂部固定連接有驅動板，所述調節箱的頂部滑動連接有活動板，所述驅動板的頂部貫穿調節箱且與活動板的連接處固定連接，所述調節箱頂部左側的前后位置均固定連接有定位板，兩個所述定位板相對一側的頂部均通過軸承轉動連接有轉軸，兩個所述轉軸相對的一端固定連接有承載板，所述承載板的頂部固定安裝有太陽能電池板本體，所述活動板頂部的前后位置均通過活動軸活動連接有推板，所述推板遠離活動板的一端通過活動軸與承載板的連接處活動連接。

圖2中：1、調節箱；6、活動板；7、定位板；8、轉軸；9、承載板；10、太陽能電池板本體；11、推板；14、滑軌；16、安裝板；17、擋板；18、橡膠墊。所述調節箱的正面通過螺絲固定連接有擋板，所述調節箱的底部粘接有橡膠墊。

圖2 光伏太陽能板

2.2.3 光照傳感器

本次設計采用BH1750光照傳感器，該傳感器具有功耗小，體積小，支持兩個IIC地址，最高支持400kbps的傳輸速率，對于本次模擬設計來說足矣，如圖3所示。

圖3 光照傳感器模塊

兩個IIC地址可以通過排針上面的地址引腳ADDR來選擇，接GND時器件地址為0100011 ，接VCC時器件地址為1011100。通過SDA數據信號線和SCL時鐘線與主控芯片相連進行數據傳輸。

2.2.4 GPS模塊

本次模擬設計定位部分采用E108-GN01高集成度多模衛星定位導航模塊，原理圖如圖4所示。

圖4 GPS模塊

本次設計將GPS模塊作為從機與FPGA主板通過串口進行通訊，端口間使用安卓數據線進行連接,上電時V-RF亮起代表天線正常工作，使用有源天線來增強信號，定位成功后IPPS開始閃爍，此時便可進行串口通訊。使用TXD來發送數據至FPAG主板進行處理，RXD接收來自FPGA主板的數據并解析其指令來進行相應工作，數據發送成功后TXD串口指示燈便亮起，以此來完成從機與主機之間的通訊。

2.2.5 升壓模塊

本次模擬設計采用96片太陽能電池組件，單片電壓約為0.4～0.7V，總電壓約在48V左右，在升壓模塊中經過線圈升壓到可以啟動電動車的伏數，通過整流橋整流成單向的脈動直流電，脈動直流電經過濾波電路變成平滑的直流電，濾波后再經過穩壓器穩壓，得到基本不受外界影響的直流電源輸出，如圖5所示。

圖5 升壓模塊

2.2.6 電機模塊

本次模擬電機設計使用BTN7970 電機驅動板，具有四路通道輸出，可實現電機正反轉，雙路 PWM 波控制，具備電流反饋穩定輸出和檢測電機工作狀態的功能，部分電路原理圖6所示。

圖6 電機模塊

2.3 軟件程序設計

2.3.1 主程序運行流程圖

系統運行時，先進行初始化，接著主控芯片開始接收GPS定位模塊以及光照傳感器實時采集數據并進行分析，并發送指令通過偏差信號控制電機調整光伏太陽能板的位置。具體運行程序如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

2.3.2 子程序運行流程圖

（1）光照傳感器模塊

本次模擬設計ADDR引腳是接在GND上，且使用的模式為連續測量高分辨率模式。在程序上，先發送上電命令(0x01)并初始化；接著進行連續測量：寫入起始信號(ST)，之后寫入器件地址和讀寫位（本次使用的器件地址0100011），然后寫入應答位，再而寫入測量的命令(0x10)并應答，最后寫入結束信號(SP)；測量結束后進行數據讀取：寫入起始信號(ST)，接著器件地址和讀寫位，之后是應答位，緊接著接收1個字節的數據SDA引腳從輸出改成輸入，接收結束后寫入結束信號(SP)。如圖8所示。

圖8 光照傳感器模塊子程序流程圖

（2）GPS模塊子程序流程圖

GPS接收器利用多普勒效應計算車的前進速度，通過衛星進行準確的三維坐標定位并進行測速，開始時讀取接收機偽距數據進行求導得出多普勒觀測方程，獲得方程單差后計算G矩陣利用最小二次方求得未知數據并使其與實際數據的誤差平方和最小，根據誤差去進行校正；當定位收斂誤差小于0.001時，更新接收機位置并返回到計算G矩陣，否則輸出數據至FPAG主板，該數據為當前車速。

圖9 GPS子程序流程圖

（3）電機模塊

主控芯片將分析完后的數據產生一個控制信號去控制電機來轉動太陽能板。程序設計如圖10所示。

圖10 電機模塊子程序流程圖

3 結論

本文的移動式車載光能收集系統，不僅在一定范圍內能夠最大效率收集太陽能，并且系統自身消耗能量較少，通過GPS和傳感器的相互配合能獲得更多的電能，滿足日常駕駛的能源需求。