兰州交通大学毕业设计（论文）
5 太阳能光伏电池硬件电路设计
从第4章太阳能电池测试电路的硬件设计方案图可以看出，太阳能电池测试电路的硬件电路设计分为DSP控制电路、电压电流检测电路、电压电流信号调理电路、串口通讯电路、FLASH电路和功率MOS场效应管驱动电路等六个主要部分，下面分别论述六个部分的硬件电路设计。
5.1 DSP控制电路设计
太阳能光伏电池测试系统的核心是控制器，考虑到在控制中需要实现一些比较复杂的控制算法，运算量比较大，因此考虑设计中采用DSP作为控制器。
5.1.1器件选型
考虑到DSP太阳能光伏电池测试系统的硬件电路设计中的主要作用是控制，所以选择了一款TI公司的TMS320C2000系列的定点DSP控制器——TMS320LF2407A。TI公司的TMS320系列DSP具有灵活的指令集、灵活的内部操作、高速的运算能力、改进的并行结构和较低的成本等特点，使其成为很多信号处理和控制应用的理想选择。
TMS320C2000系列DSP芯片是TI公司推出的一个低价格高性能的16位定点DSP控制器系列产品。由于它采用了改进型哈佛结构，具有分离的程序总线和数据总线，使用四级流水线作业，因此具有高速运行的特点。其指令集兼容其他的TMS320系列芯片，但更加丰富，操作也更加优化。全新的静态设计技术使之功耗大幅度减小，而增强的模块化结构设计更便于器件的快速开发，提高了芯片的通用性，使它的应用领域得以拓宽。且它的价格已经与单片机相近，但性能却比一般的单片机强很多，是单片机的理想替代产品，也是测控领域应用的最佳选择。
TMS320LF2407A是TI公司TMS320C2000系列定点DSP控制器中的一款。它具有以下特点：
? 采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；
40MIPS的最高执行速度（时钟40MHz时）使得指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。
? 基于TMS320C2XXDSP的CPU核，保证了TMS320LF2407A的代码和指令集同
TMS320C2000系列的其它型号相兼容。
? 片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达2.5K字的数据/程序RAM，其中包
括544个字的双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）。
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? 两个事件管理器模块EVA和EVB，每个都包括：两个16位通用定时器；8个16
位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码接口电路；16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机，无刷直流电机，开关磁阻电机，步进电机，多级电机和逆变器。
? 可扩展的外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储器空间；64K字数据存
储器空间；64K字I/O寻址空间； ? 看门狗定时器模块（WDT）。
? 10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8
通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。 ? 控制器局域网络（CAN）2.0B模块。 ? 串行通信接口（SCI）模块。 ? 16位的串行外设接口（SPI）模块。 ? 基于锁相环的时钟发生器。
? 高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）。 ? 5个外部中断（两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断）。
? 电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。TMS320LF2407A采用144脚PGE封装。
由于TMS320LF2407A本身带有16路10位A/D转换器，可选择由DSP内建的两个事件管理器来触发这些A/D转换器按指定的顺序进行A/D转换，其最小转换时间为500ns，完全可以满足本文的设计要求。因此在本文的设计中由信号调理电路送来的经过调理电压和电流信号就直接使用了DSP内建的A/D转换器进行A/D转换，参考电压为2.5V。
5.1.2DSP外围电路设计
（1）时钟电路
TMS320LF2407A的工作频率是在其内部利用其内部锁相环（PLL）将外部晶振频率进行倍频处理后的频率。本设计中晶振频率选择10MHz，通过内部PLL四倍频使DSP工作频率达到40MHz，电路如图3-1所示。此外，DSP的PLL模块需要外接一个环路滤波电路在DSP的PLLF和PLLF2引脚之间，如图5-1中的R1，C3和C4所示，这几个电容和电阻值与晶振的频率有关。
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图5-1 时钟电路
（2）JATG接口设计
同其它的单片机应用系统一样，一个完整的DSP应用必须具有仿真器的标准接口，通过这个接口用户可以通过PC调试，下载应用软件到指定的应用板。TMS320LF2407A提供了IEEE 1149.1标准的通用JTAG接口，供用户仿真和下载程序到DSP中。电路板上的JATG电路如图5-2所示。
/TRSTTMS+5VTDI135TMSTDIPD（VCC）TDOTCK-RETTCKEMU0JTAG/TRSTGNDNCGNDGNDGNDEMU12468101214TDO79TCKEMU01113EMU1R110KR210K3.3V
图5-2 JTAG与应用板上DSP的连接图
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5.2 电流电压检测电路设计
电流电压检测电路主要用于采集太阳能电池的工作电流和电压值，送至信号调理电路处理。本设计中主要包括电流检测电路和电压检测电路。本文中的检测电路设计和信号调理电路设计通过集成运算放大器来搭建，为了简化设计，减少器件种类，所以本文中的运放电路统一选择低功耗四路运算放大芯片——LM224。该芯片是四路独立、高增益、带频率补偿电路的运算放大器。
它的主要特性是： ? 带内部频率补偿电路。 ? 最大直流电压增益高达100dB。 ? 带宽达到1MHz。
? 宽电压供应范围，单端3～30V直流或双端±1.5～±15V直流。 ? 极低的供电电流消耗。
? 极低的输入偏置电流，仅45nA。 ? 大输出电压：0V～Vcc-1.5V。
? 极低的输入失调电压：2mV和输入失调电流：5nA。 ? 差分输入电压幅度等于电源供电幅度。
5.2.1恒压模式下的测试
所谓恒压，就是在电池外给它一个可以获得已知电压，并在此电压下测量相应的电流，然后通过改变电压值获得对应的电流值。本设计采用低功耗四路运算放大芯片—LM224在差分输入的反向端获得与同向端相同的电压，然后通过所在支路上的两个完全相等的电阻给电池的两端施加2倍于同向端输入电压的电压，接着在太阳能光伏电池两端测量其对应的电压；然后通过改变同向端输入电压改变所施加在光伏电池两端的电压来获得不同电压条件下响应的电流值。这就是恒压模式下测量光伏电池电流的基本原理。
大电流的高精度检测是测量中的一个难点。目前，对电流的测量主要有两种方法，一是用霍尔电流传感器，特点是测量精度相对较高（可达0.1%），隔离好，使用方便，缺点是价格较高，二是电阻电压法测量法，就是用分流器或大功率电阻串接到电路中测得电压，由公式I=U/R可知电流值，这种方法的优点是成本低、结构简单，缺点是精度不高，且没有隔离。
在本文的设计中，考虑到是初步设计，精度要求不高，从降低成本的角度，选择了
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