（物理电子学专业论文）用于太阳能电池测试的usb接口数据采集器.pdf

郑州大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本课题采用u s b 接口芯片、f p g a 器件、高速高精度a d 转换芯片、低速 高精度的a d 转换芯片和微控制器等电路，设计了专门用于太阳电池组件测试 的u s b 接口数据采集器，成本低、使用方便、抗干扰性能好；提高了测量精度， 并且可以方便实现的在系统升级。 本文首先简要介绍了太阳电池组件测试设备的总体结构以及本课题所设 计的u s b 接口数据采集器部分，然后分别介绍了用于太阳电池组件测试的u s b 接口数据采集器硬件电路设计和软件设计。 在硬件电路设计部分，首先给出了硬件电路的总体设计方案，主要有高速 数据采集单元、低速数据采集板卡、微控制器、u s b 接口芯片、系统电源电路和 f p g a 配置电路构成，然后对器件的特点性能和各部分电路的设计做了详细的说 明。 论文软件的设计分为f p g a 逻辑功能的v h d l 编程和微控制器c 语言编程两 部分，在f p g a 逻辑功能v h d l 编程部分，本系统使用v h d l 语言，采用自顶向下的 设计方法，分模块实现了f p g a 的逻辑功能，最后采用原理图的输入方法实现顶层 设计；在微控制器c 语言编程设计部分，详细描述u s b 固件程序、主程序和数据 采集程序，并给出了各个部分的程序流程图。 关键词：u s b ，f p g a ，a d 转换芯片，微控制器，v h d l ，太阳电池组件 郑州人学硕j 。学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ep a p e rd e v e l o p st h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r dw i t hu s bi m e r f a c ew h i c hi su s e d i nt h et e s t i n ge q u i p m e n to fp h a t o v o l t a i cc e l l m o d u l e 丁h i sd e s i g n a d o p t su s b i n t e r f 她ec h j p ，即g a c h i p ，h i g l i - s p e e da i l dh i 曲一p r e c i s i o na dc o n v e n er ，1 0 w - s p e e d a n dh i g i l p r e d s i o na dc o n v e n e r m c ua n ds oo n ，t od e v e l o pad a t aa c q u i s i t i o n b o a r dw i hu s bi n t e r f a c eu s e di t h et e s t i go fp h o t o v o n a j c 1 0 wc o s t ，c o n v e j e n c e u s i n g h i g hi n t e r f e r e n c ei m m u n i t y e n h a n c i n gt e s tp r e d s i o n ，c o n v e n i e n c eo fl s p a tf i r s t ，m i st h e s i si n t f o d u c e st h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e 口h o t o v o l t a i ct e s t e q u i p m e n ta n dt h ed a t aa c q u i s i t i o nb 0 盯dw i t hu s bi n t e - a c em a ti sp a r to ft h e p h o t o v o l t a i ct e s te q u i p m 鼻n t a f t e rt h a t ，t h i sp a p e ri n t r o d l l c e st h eh a r d w a r ea n d s o 竹w a r cd e s i p mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r dw i t hu s bi n t e r f a c e i n 【h eh a r d w 甜ec i r 锄“d c s i e ns c c t i o no ft h i st h e s i s ，w e2 i v et h e 舻n e r a 】d e s i 印 s t m c t u f co ft h eh a r d w a r ec i r c u i l ，i n d u d i n gt h eh i l 虫s p e e dd a aa c q u i s i t j o nu l l i t ，t h e l o ws p e e dd a t aa c q u i s i t i o nu 面t ，m c u ，t h eu s bi n t e r f a c ec o m p o n e n t ，t h ep o w e r s u p p l vd r c u i to fs v s t 锄a n dt h ef p g ac o f i g u r a t i o nc i r c u i t t 1 l e nw ed e t a i l d e d l v i n t r o d u c et h ec o m p o n e n t s d l a r a c t e r sa n dt h ed e s i p 田m e 也o do fa l lp a n so fc i r c u i t s 1 1 h es o f l w a f ed e s i g n0 ft h i st h e s i si n c l u d e st h ev h d lp f o g r a m m i n 2t or e a l i z e i h ef u n c t j o no ff p g aa i l dt h em c uf i 册w a r ep r 0 2 r 锄m i n g 。t h es y s t e mu s e st h e h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) a n dt o p - d d w nm e t h o d s ，a n dr e a l i z e se v e r y l o 譬i cf u n c t i o nm o d u i e 尉舱l i y ，t h ef p g af u n c t i o ni sa d i i c v e db ys c h e m a t i cd o c u m e n t i n a d d i t i o n ，t h i sp a p e rd e t a i l d e d l yi n t r o d u c e st b em c u 翁瑚w a r ep r o g r a m m i n g ， i n c l u d i n g u s b 伯1 i l w a r e p r o g r a m ， m a i n p r o 铲a m ， d a t a a c q u j s i t i o np r o g f a m f u n h e r f l l o r e ，t h ef 1 a wd i a 咖so ft h ep m 譬r a mo fe a c hp a no ft h em c uf i 】1 1 1 w a r e p i d g r a m m i n ga r ed r a 帅i nt h i sc h a p t e r k e yw o r d s ：u s b ，f p g a ，刖dc o n v e n e rc h i p ，m c u ，d kt h ep h o t o v o l t a i c c e l l ，m o d u i e u 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽 窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由 此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者。签名毒台蝴昌 6 年5 日懦日 郑州人学颊十学位论文 第一章绪论 随着社会经济的高速发展，人类对能源的依赖和需求也越来越强烈。面对日 益突出的能源问题，人类也逐渐意识到仅仅依靠现有的矿物能源，只会使得能源 危机愈演愈烈，最后对社会经济发展造成巨大的负面影响。因此寻找常规能源的 替代能源，促进新能源的利用与发展，推动能源结构的调整改革，是目前能源发 展战略的迫切需要。而太阳能作为洁净的可再生能源，其技术应用己经日趋成熟， 并在各能源领域获得广泛重视。从诸如太阳能热水器之类的普通光热利用方式， 到目前在各个发达国家广泛开展的“屋顶计划”光伏并网发电形式，太阳能的利 用已经从民用、备用扩展到国民经济建设的各个方面。随着太阳能利用领域的不 断扩展及制造成本和价格的不断下降，太阳能必将会从当前的补充能源角色成为 未能源结构中的新型替代能源。在目前太阳能的利用领域中，最令人关注的就是 直接利用太阳能进行光伏发电的光电池。可以想象，太阳能电池的出现和推广必 然可以缓解目前频繁出现的“电力危机”，提高电力的清洁度，改善现有的能源 构成，促进整个能源结构的良性发展。因此，光伏发电技术己经成为太阳能利用 的重点和热点。 1 1 太阳能利用现状和前景1 1 】 1 1 1 我国太阳能利用的现状 我国大部分地区太阳能资源丰富，具备发展太阳能的环境条件。特别是广大 西部地区，由于地处高原，日照充分，非常有利于建造独立的太阳能光伏电站， 或者风光互补电站，也适合一家一户的小型独立光伏系统。并且西部地区地广人 稀，常规电能的使用成本昂贵，使得很多地区至今用电尚未普及。因此结合我 国的具体国情，这些无电地区和无电人口是发展利用太阳能光伏发电的巨大潜在 市场。 我国太阳能光伏发电产业近几年发展取得较大进展。从1 9 7 3 年第一块太阳能 电池的地面利用到9 0 年代中期太阳能光伏户用系统进入民用市场，短短十几年时 间，光伏发电逐渐扩展到通讯、交通、石油、气象、国防、农村电气化等许多 方面，太阳能电池的生产以每年高于2 0 的速率增长。9 0 年代中期，我国西部地 郑州大学硕l 二学位论文 区已经发展了一批生产太阳能光伏户用系统的光电：l 程项目。同时，我国政府实 簏了“阳光计划”、“乘风计划”和“光明工程”等，利用太阳能发电和风力发 电解决西部广大无电地区农牧民生活生产用电，这一工程配套资金2 0 多亿人民 币。至1 9 9 8 年底，我国太阳能电池累计用量达1 3 2 m ，并在青海、西藏等无电、 少电地区建成1 0 一1 0 0 k w 的光伏电站4 0 余座，推广家用光伏电源1 5 万台，总功率 2 9 m w 。 我国光伏产业还处于起步阶段，但是相信随着人们环保意识的提高，政府 对新能源利用的重视，特别是“十一五”规划中要求建立节约型环保型的和谐社 会主义社会新能源的推广和利用将会日渐受到注目和推崇，成为保障社会、经 济可持续发展的关键。光伏发电产业将会有突飞猛进的发展。 1 1 2 太阳能利用的发展前景 电力资源一直是国民经济的命脉，太阳能向电能的转化和应用，一直是太阳 能应用领域的重要课题。和热电相比，采用光电原理工作的光伏发电由于其不可 比拟的优点己逐渐受到人们的重视。从长期运行的角度来看，光伏投资的回收率 将高于主动式和被动式太阳能的光热利用技术。光伏发电是通过太阳能电池直接 把光能转变成电能，因而是一种零排放的清洁能源，也是一种能够规模应用的现 实能源，可用来进行独立发电和并网发电。太阳能的发电应用具有无污染、安全 可靠、无噪音、不受地域限制、无需架设输电线路、维护方便、使用寿命长等优 点，可广泛应用于航天、通讯、军事、交通、城市建设、民用设施等诸多领域。 因此，可以预言太阳能以及其他可再生能源将逐渐替代石油和煤炭，成为世界能 源的主角。 1 2 太阳能电池测试系统构成以及工作原理 太阳能电池是将太阳能转化成电能的器件i ，是光伏发电系统的核心部分。 太阳能电池及太阳能电池组件的测试及分选是在标准光强【l 】( 矾1 5 ) 照射下，测 出的太阳能电池或组件的i v 特曲线。计算出太阳能电池或组件的最大输出功率 效率、开路电压、短路电流、工作电流、填充因子、串并联电阻等参数，并据此 进行分类评判。 1 2 1 太阳能电池的i v 特性【1 】 2 郑州人学硕l 学位论文 绪论 太阳能电池的i v 特性曲线如图1 一l ，是单一的i v 特性曲线。从太阳能电 池的i v 曲线中能够很直观的看出电池的输出电流和电压的对应关系，同时也表 明太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率；它 是一种非线性直流电源，输出电流在水平部分工作电压范围内相当恒定，最终在 一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零：输出电流既使在短路状态下不会无 穷大而是一个有限值；太阳能电池只有工作在最大功率点( p i i i ) 上时利用效率才虽 高。而不同环境条件下的i v 特性曲线可以反映太阳能电池在不同的环境条件下 工作时的发电能力和最佳效率点。可以根据图中的几个重要技术参数进行太阳能 电池以及太阳能电池组件的分选和评判。 太阳能电池单体是光电转换的最小单元，单个太阳能电池的输出功率往往 太小，一般不能单独作为电源使用。因此作为太阳能电池的最终产品，总是取若 干太阳能电池单体进行串、并联并封装后成为太阳能电池组件【1 】( m o d u l e ) ，其功 率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。 ，- 悯 气。 太， 一、 。 1 。； l ， lj ， | ； ， 仙童 ， 1|l：l ，7 1 y - ， 1 ，l ， i ， y j 图l 一1 太阳能电池的i v 特性曲线 根据太阳能电池组件的i v 特性曲线，可以看出太阳能电池的几个重要技 术参数： 短路电流( i s c ) 在给定光强温度下所能输出的最大电流 开路电压( v o c ) 在给定光强温度下所能输出的最大电压 3 郑州人学颊i ：学位论文 最大功率点的功率( p i l l )在给定光强温度下所能输出的最大功率p i n = v m i m 最大功率点的电压( v m ) 在给定光强温度下所能输出的最大功率点的电压 最大功率点的电流( i m )在给定光强温度下所能输出的最大功率点的电流 1 2 2 太阳能电池测试设备系统的总体构成 图l 一2 测试太阳能电池i v 曲线设备的总体构成 太阳能电池的i v 特性曲线是分选和评判太阳能电池的基础。在通常情况 下，光强会随着照射角度和太阳能电池位置的不同而不同，太阳能电池温度及环 境温度也会随着光强辐射情况而改变，这些都会影响i v 特性曲线。为了测量出 在特定温度光强下太阳能电池的i v 特性曲线，忽略温度和光强所带来得影响， 一般情况下测量太阳能电池的i v 特性都是在瞬间完成的【2 】。 随着现代电子技术的发展，特别是f p g a 技术和u 技术等专用数据处理芯片 的使用，已使得在瞬间内完成大量数据的采集和存储工作成为可甜刈。如图1 2 所示，就是测试太阳能电池i v 曲线设备的总体构成。信号变换部分是由太阳 能电池电压、电流、光强前端采集电路和将环境温度、太阳能电池位置情况转换 4 郑州大学硕f 。学位论文绪论 成电压信号的相应传感器组成，然后将转换后的信号分别输入高速数据采集单元 和低速数据采集板卡，进行放大、a d 转换等处理。由m c u 控制单元，将采集到的 数据通过u s b 接口输出到p c 机，进行数据的存储和处理，同时显示在一定环境条 件下的太阳能电池的i v 特性曲线以及太阳能电池的几个重要技术参数，从而进 行太阳能电池组件的分选和评判。太阳能电池在测试时先将太阳能电池移到固 定的位置，然后给太阳能电池压上正负极性，同时闪光灯闪烁发出光脉冲，进行 测试。运动控制与驱动部分的任务就是移动太阳能电池的到固定位置后进行压币 负极；闪光灯控制电路就是控制闪光灯的发光。它们都是有们u 控制协调下完成 太阳能电池组件的测试分选工作。 1 3 用于太阳能电池电池测试的u s b 接口数据采集器的工作原理 用于太阳能电池测试的u s b 接口的数据采集器就是图2 2 中的粗虚线框中 的部分，主要用来采集前端采集电路以及传感器转换后的信号，经程控放大、a d 转换等电路转换成数字信号，最后由m c u 控制采集，并通过u s b 接口输出。根据太 阳能电池i v 特性测试的需要，本系统采用了高速数据采集1 2 6 】单元对光强信号和 太阳能电池的电压电流信号进行高速连续的数据采集，并带有高速的f i f o 缓存来 存储采集到的电压、电流、光强信号，可以实现连续高速批量的数据采集，数据采 集结束后通过她u 将f i f o 中的数据送到u s b 总线输出；低速数据采集板卡【3 3 】主要 用来实时采集外界环境温度和传送系统的位置信号，然后通过m c u 依次将实时采 集的数据通过u s b 总线输出。 本设备要求在单次闪光的时问( 0 5 m s ) 内测出约l 0 0 0 组电压、电流、光强 的数据，精度为0 1 因此需要高速高精度的数据采集。从而采用低速数据采集板 卡将在瞬间基本不变化的环境温度和位置信号进行实时数据采集。 1 4 课题研究的目的 设计太阳能电池测试仪中的数据采集部分。其中包括高速数据采集和低速数 据采集两部分，与电脑的数据传输采用方便易用的u s b 接口。 主要利用高速高精度的a d 转换器、可编程逻辑器件f p g a 、单片机控制等技 术。实现对太阳能电池组件在闪光期间的高速测量。利用u s b 接口技术，实现在测 郑州大学碗上学位论文 量结束后与p c 机的数据传输。 1 5 本采集器的改进之处 一现有测试仪采用p c i 插板式的通用高速数据采集器f 2 】，引线很长，易引入 干扰，安装调试不方便，维护复杂。现改进为专门设计的数据采集器，采用方便易 用的u s b 接口，安装维护方便；采集器置于实验盒中，抗干扰性能好。 二利用新型器件如f p g a ，高速高精度的a d 等，不仅大大缩小的电路的体积 更有利于提高测量精度，并且可以实现方便的在系统升级。 三节约成本。从p c i 接口高速采集卡的1 万余元降为专用采集板的l 千余元。 1 6 本课题的主要工作 一、设计用于太阳能电池测试u s b 接口数据采集器的硬件电路。 二、采用硬件描述语言【1 0 j 【2 8 j ( v h d l ) 实现可编程逻辑器件f p g a 逻辑控制功能。 三、设计u s b 芯片的固件程序【4 】及单片机的控制程序【7 】【3 4 1 。 6 郑州大学钡士学位论文 用于太阿 电池测试u s b 接臼数据采集器硬件电路的设计 第二章用于太阳能电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路设计 2 1 用于太阳能电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路设计概述 图2 1 用于太阳能电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路框图 现有的太阳能电池组件分选评判测试设备多采用p c i 插板式的通用高速数 据采集器”3 ，安装调试不方便，价格昂贵，引线很长，易引入干扰，维护还比较复 杂；在通常的高速数据采集电路设计中，数据采集电路复杂、芯片繁多，特别是 硬件的固定使得采集系统在线升级几乎不可能。 本设计研制的用于太阳能电池测试的u s b 接口数据采集器，从硬件电路设计 上做了根本性的改变，使采集系统更加集成化，增强了采集设备的抗干扰能力， 同时方便了用户的安装调试，使用f p g a 技术可以很方便实现在线升级。 由于所采集的信号对采集速度的要求不同，系统的硬件电路设计采用了高 速数据采集单元和低速数据采集板卡两个部分。高速数据采集部分采用“高速的 7 郑州大学硕士学位论文用于太阳电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路的设计 a d 采集芯片+ 可编程逻辑器件”的模式进行电路系统的设计，由于可编程逻辑 器件的功能可用编程的方法来实现，使得硬件的设计可以像软件设计那样的方便 灵活，大大提高了工作效率和设计的灵活性，无需重新设计电路图就可以实现系 统的升级，另外高速的数据缓存采用可编程逻辑器件的内部存储模块f i f 0 1 9 j ，降 低了电路的复杂程度，大大减小了系统的体积，降低了成本，提高了可靠性，最 后由微控制器访问f p g a 内部的f l f o ，把数据取出由u s b 接口总线输出。低速 数据采集部分采用“多路开关+ 程控放大+ 低速刖d + 微控制器”的模式进行电 路的设计，由微控制器选用相应的通道以及设置信号的放大倍数，然后触发低速 d ，a ，d 完成后，由微控制器送到u s b 总线上输出，直接查询方式的a d 转换 【3 3 】，没有缓冲区，采集的结果是当前最新结果，适合于太阳能电池组件测试设备 对太阳能电池温度和位置信号的实时数据采集。在设计中也为运动控制与驱动电 路和闪光控制电路留有接口。 下面是对器件选型以及各个模块的电路设计实现做简要介绍。 2 2 可编程逻辑器件的简介及设计选型 2 2 1 数字系统设计概述 随着半导体技术和计算机技术的发展，数字系统的实现方法也经历了有分 立元件、中小规模集成电路到大规模集成电路的过程。 过去人们通常用通用逻辑器件，如：基本逻辑门、触发器、计数器等，来 进行系统设计，搭建电路板构成数字系统。这样系统的设计实现实际上是对电路 板进行设计，及通过电路板来实现系统的逻辑功能，这样的设计不便于系统的修 改和升级，并且电路复杂，体积较大，功耗高，保密性比较低，若某一过程存在 错误，查找和修改十分不方便。 采用可编程逻辑器件p l d 【刎对器件进行设计是通过对芯片逻辑功能的设计， 以达到系统功能的实现，从而改变原来的设计方式。尤其是在系统可编程逻辑器 件( i s p ) 的产生，给数字系统设计带了一个飞跃。在系统可编程器件的技术允 许设计者在电子系统中编辑和修改逻辑，并不需要将器件从电路板上拆下来。这 实际上提供了在不改变系统硬件的前提下实现器件的重构系统的能力，使器件的 修改变的像修改软件一样方便。 8 郑州人学硕上学位论立用于太阳电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路的设计 在现代电子系统设计领域中，电子设计自动化( e d a ) 已成为重要的设计手 段。加上可编程逻辑器件不断的完善和发展，改变数字系统的设计程式。在现代 电子系统设计中这些硬件的调试可被e d a 中的仿真所取代。在仿真过程中若不符 合要求，可对电路进行修改，直到满足设计者的要求为止，最后下载到可编程逻 辑器件之中。这样及节省时间又避免不必要的损失。 随着超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米工艺【3 j ，如 o 1 8 u m ，o 1 3 u m 已经走向成熟，在一个芯片上完成的系统的集成已成为可能， 时钟频率已发展到数吉赫兹。因此，未来的集成电路技术的发展趋势，是把整个 系统集成到一个芯片上，这种芯片被称为片上系统【l ”。芯片内除了丰富的可编程 逻辑资源以外，还包括高速的处理器硬核、处理器软核、大量的存储器资源、高 速串行收发器模块、系统时钟管理器、多标准的输入输出接口模块等。片上系统 比起当今的超大规模集成电路来说，无论是集成规模还是运行频率都有长足的发 展。而采用具有系统级性能的复杂可编程逻辑器件和现场可编程门阵列实现可编 程片上系统也成为今后的一个发展方向。也许在不久的将来，我们看到的计算机 中央处理器芯片不是传统的c p u ，而是一个能够实现高速、多任务并行处理、随 心所欲升级的可编程逻辑器件。正是因为集成电路的迅速发展，推动了电子技术 的发展，带来了电子系统设计的不断变革。 2 2 2 可编程逻辑器件的发剧3 】【2 8 l 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读 存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o d 三种。由于结构的限制，它们只能 完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组 成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积 和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻 辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或” 平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现 场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r 删技术和e e p r o m 技术。还有一类 结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个 9 郑州大学硕：学位论文用于太阳电池测试u s b 接【- i 数据采集器硬件电路的设计 “或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可 编程的，电有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑 g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，如g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺， 实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具 有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是 可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模 较小的电路。 为了弥补只能实现规模较小电路的这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a a b l e l o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ， 它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种 器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与 门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 相比，它们又具有设计开发周期 短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时 在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合 均可应用f p g a 和c p l d 器件。 2 2 3f p g a 的基本结构及设计选型 f p g a 一般有三种可编程电路和一个用于存放编程数据的s r a m 组成【3 l ，这三 种可编程电路是：可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出 模块i o b ( i ob 1 0 c k ) 和互联资源i r ( i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) ，其基本结构 如图2 2 所示。可编程逻辑块是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排 列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入输出模块主要完成芯片的逻辑与 外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互联资源包括各种长度的 连线线段和一些可编程的连线开关，它们将各个c l b 之间或c l b 、i o b 之间以及 i o b 之间连接起来，构成特定功能的电路。 f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片 内的s r 删或熔丝图上。基于s r 蛳的f p g a 器件，在工作前需要从芯片外部加载 配景数据，配置数据可以存储在片外的e p r o m 或其他存储体上。用户可以控制加 1 0 郑卅l 大学硕士学位论文 用于太阳电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路的设计 载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。 口口口口口口口口 图2 2f p g a 内部基本结构 可编程逻辑模块( c l b ) c l b 是f p g a 的主要组成部分，是实现逻辑功能的基本单元。它主要有逻辑 函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。c l b 中有许多不同规格的数据选 择器，分别用来选择触发器激励输入信号、时钟有效边沿、时钟使能信号以及输 出信号。这些数据选择器的地址控制信号均有编程信息提供，从而实现所需的电 路结构。 输入输出模块( i o b ) 1 0 b 提供了器件引脚和内部逻辑功能阵列之间的连线。它主要由输入触发 器、输入缓冲器和输出触发锁存器、输出缓存器组成，每个1 0 b 控制一个引脚， 它们可被置为输入、输出或双向i o 功能。 可编程互联资源( i r ) 可编程互联资源可将f p g a 内部的各个c l b 之间或c l b 、1 0 b 之问以及i o b 之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。i r 主要由许多金属线段构成， 这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。 f p g a 高速性能好，是聃c u 和其他数字处理芯片难以比拟的；并且具有现场 可编程的特点，并且它使用系统内可再编程( i s p ) 技术，使系统内的硬件功能 1 l 郑卅f 人学硕1 7 学位论文用于太阳电池测试u s b 接口数据采集器硬件屯路的设计 可以像软件一样被编程并再配置，为实现许多复杂的高速信号的采集提供了新方 法。同时它还具有片内资源丰富的特点，很适合对具体的任务进行全硬件实现设 计，具有很高的可靠性。f p g a 体系结构通常由相对简单的逻辑单元阵列和大量 的寄存器组成，特别适合并行运算。 c y c l o n e 是a l t e r a 公司推出的新一代s r a m 工艺中等规模的f p g 胪】，是一种 低成本的f p g a 系列，在设计时选择了较小的封装形式，以提供给用户足够的i 0 管脚和良好的功耗特性。在此基础上，根据封装的物理尺寸，装入尽可能多的逻 辑结构和存储器块，从而保证每种封装都装入了最多的逻辑资源。 根据采集器所要采集数据数目对芯片存储资源的要求，在本设计中采用了 c y c l o n e 系列中的e p l c 6 t 1 4 4 c 6 芯片。 2 2 4e p l c 6 t 1 4 4 c 6 的结构描述【9 】 ( 1 ) e p l c 6 t 1 4 4 c 6 的架构 e p l c 6 t 1 4 4 c 6 的架构如图2 3 所示，垂直结构的逻辑单元( l e ) 、嵌入式存 储块和锁相环( p l l ) 周围环绕着i o 单元( i o e ) ，高效的内部连线和低延时的 时钟网络保证了每个结构单元之间时钟和数据信号的连通性。 # “w 。| e 琏， “：；扣， 一2 鲻未二 t 嚣灞i 溪誊薹蠹j 。j 蠹+ |嚣 ；灞黑黔鬻 臻薯 蘩 i 瓣静 j 嚣j j。； 1 ； 黝螺；引姒并；j ；誓 n _ 鬻鬻嚣 蒸攀萋誊i i 藜j | ； | ；_ “ 黼滋瓣l黧囊j i i j j i ；鏊：”：灞i 篆 图2 3e p l c 6 t 1 4 4 c 6 的构架平面图 器件的周围分区工作的i o 单元被划分为不同的i o 块。这些i o 块支持 一系列单端和差分i o 电平标准，每个i 0 单元由包含有3 个寄存器以实现双倍 数据速率的应用，并且每个i o 单元提供从管脚到f p g a 内部的多条路径，以便 1 2 郑州大学顿十学位论文用于太阳电池测试u s b 接u 数据采集糕硬件电路的设计 器件满足相关的建立和保持时间。 ( 2 ) 嵌入式存储资源 e p l c 6 t 1 4 4 c 6 的嵌入式存储资源是有m 4 k 存储模块组成的，总共有2 0 块m 4 k 存储模块，r a mb i t s 总量可达到9 2 1 6 0 。这些m 4 k 块可以配置成单向、双向、真 双向口、移位寄存器、r 叫以及f i f o 形式，并支持独立的时钟模式、输入输出 时钟模式和读写时钟模式。此外，m 4 k 为每个字节提供1 位奇偶校验位以保证数 据的完整性。 ( 3 ) 逻辑单元( l e ) 逻辑单元( l e ) 是c y c l o n ef p g a 结构中最小单元，它以紧凑的尺寸提供了 高效的逻辑功能，逻辑单元( l e ) 的基本结构如图2 4 所示。每个l e 都有一个四 输入的查找表( l u t ) ，可快速的实现4 个变量的各种组合逻辑。此外，每个l e 包 含1 个可编程寄存器、1 个可选的进位链。单独的1 个l e 支持1 位的加法或减法运算 ( 通过逻辑阵列块l a b 控制信号来选择加或减) 。l e 可驱动所有类型的互连结构： 局部互连、行互连、列互连、查找表链、寄存器链以及直接链路互连。 每个l e 中的可编程寄存器可配置为d ，t ，j k 或s r 触发器。这些寄存器的时钟 和清除控制信号可由全局信号、多用途i o 引脚或任何内部逻辑驱动。对于组合 逻辑来说，寄存器可旁路掉，查找表( l u t ) 的输出直接驱动l e 输出。 每个l e 有3 个驱动局部、行或列互连通道的输出信号，其中2 个驱动行列互 连通道，1 个驱动局部互连通道。每个输出信号都可单独地由l u t 输出或寄存器输 出驱动。例如，l u t 驱动一个输出，而寄存器驱动另一个输出，这种特性称为寄 存器打包( r e g i s t e rp a c k i n g ) ，可提高器件资源的利用率，因为l u t 和寄存器可 用来实现不相关的函数。此外，还有另一种特别的寄存器打包模式，即l e 的寄存 器输出反馈到l e 自身的l u t ，这种模式有利用设计的适配( f i t t i n g ) 。 c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 提供专用的高速数据通道：进位链和级连链。它们连 接相邻的l e ，不需要使用局部互连通道。进位链支持高速算数功能，如计数器和 加法器：而级连链可在最小的延时下实现多输入逻辑。 郑州人学硕j 学位论史用于太阳屯池测试u s b 接口数据采集器硬件屯路的设计 日蚓商目f # m n m l 帅十m w e 目l e 图2 4e p l c 6 t 1 4 4 c 6 逻辑单元( l e ) 的基本结构 ( 4 ) 逻辑阵列块( l o g i ca r r a yb l o c k ) c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 的每个逻辑阵列块( l o g i ca r r a yb l o c k ，l a b ) 包含1 0 个基本逻辑单元( l e ) ，l a b 控制信号、1 个局部互连通道、查找表( l u t ) 即寄存器 级连连接线。l a b 结构如图2 5 所示。 同个l a b 内的l e 通过局部互连通道传递信号，查找表级连连接则实现l a b 内部l e 之间的快速顺序连接，而寄存器级连连接则完成各l e 寄存器之间的连接。 q u a r t u s 软件的编译器自动使用局部互连、查找表级连和寄存器级连连接线将 相关逻辑放在同一个或相邻l a b 中实现，从而提高设计的性能和逻辑资源的利用 率。 c y c l o n ee p 】c 6 t 1 4 4 c 6 的l a b 还使用专门的逻辑来为内部的l e 提供各种控制 信号，这些信号包括：时钟、时钟使能、异步清除、同步清除、异步置位载入、 同步载入以及加减控制信号。其中，通过使用加减( a d d n s u b ) 控制信号，单个l e 可实现1 位的加法器和减法器，这一特点使得在实现相关器和符号数乘法器等逻 辑函数时能节约l e 资源并提高性能。 1 4 郑州人学硕 学位论文用于太阳电池测试u s b 接口数据采集器硬件电路的设计 ” 7 1“7 客 ff “i i h c l 协 、pv 图2 5e p l c 6 t 1 4 4 c 6 逻辑阵列块( l a b ) 结构 ( 5 ) 互连结构 c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 器件结构中，逻辑单元( l e ) 、m 4 k 存储块以及i o 引脚 之间可通过多种通道进行互连。这种多通道互连( m u l t i t r a c ki n t e r c o n n e c t ) 结 构基于d 抛c f d ，扣8 “工艺，该工艺是种确定性布线技术，可保证设计放在器 件任何地方都能使用相同的布线资源。图2 6 为c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 器件的行 互连结构示意图。 c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 器件中专用的行互连通道主要包括下面两种布线资 源： 相邻逻辑阵列块( l a b ) 之间的直接链路( d j r e c tl i n ki n t e r c o n n e c t ) 连接 跨越4 个l a b 的行互连通道( r 4i n t e r c o 肌e c t ) l a b 和m 4 k 可使用直接链路连接驱动邻近的l a b 或k 4 k ，这样不需要使用行 互连( r 4i n t e r c o n n e c t ) 资源即可实现彼此之间的快速通信。r 4i n t e r c o n n e c t 跨越4 个l a b ，或者两个l a b 和一个m 4 k 存储块，用于实现l a b 之间的快速行连接。 r 4i n t e r c o n n e c t 可驱动别的r 4i n t e r c o n n e c t ，从而扩大l a b 驱动的范围。此外， r 4i n t e r c o n n e c t 行互连通道还可驱动c 4i n t e r c o n n e c t 列互连通道。c y c l o n e e p l c 6 t 1 4 4 c 6 器件的列互连通道结构与行互连类似，这里不再作介绍。从上述 = 一 郑州人学硕j 一学位论文用于太阳电池测试u s b 接u 数据采集器硬件电路的设计 c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 6 器件互连结构的特点可见，逻辑单元之间可通过多种路径 实现快速通信，而且行互连通道和列互连通道均跨越固定的距离，这种跨越固定 长度的布线结构使设计的性能可预测，从而可能实现对设计时间延迟的准确控 制。 酗姆 t r | 1i | f广ll、广 卜 i浦 t h _ l 上上 _ l ；h “一k - _ _ _ o 一 _ _ _ _ 一 一 一 2 一 一 一 h _ h - 。 7 _ f 7 _ 7 _ 皇 l l ： p 图2 6e p l c 6 t 1 4 4 c 6 互连通道 2 3 高速a d 芯片与f p g a 接口电路设计 2 3 1 高速a d 芯片的选型以及工作原理 由于太阳能电池组件的测试是在单次闪光下完成的，单次闪光脉冲时间一 般在0 5 m s 时间内，在这样短的时间内要采集到1 0 0 0 组数据，并且采样到的数据 精度要达到o 1 。为了确保本采集器高速采集通道的采集速率以及采集精度， 本设计采用的是采样速率高达3 m s p s 、1 4 位并行输出的t h s l 4 0 3 高速a d 转换芯片， 其主要特点如下介绍。 ( 1 ) t h s l 4 0 3 的主要特点及管脚功能“” t h s l 4 0 3 是t e x a si n s t r u e n t s 公司生产的1 4 位高精度高速的模数转换器。 它有单一的3 3 v 模拟电压供电也可以有同样大小的数字电压供电进行工作，可 有选择的使用片内参考电压，集成了高性能的抽样和保持放大器。正常情况工作 下，其最高采样速率可以达到3 m s p s 。t h s l 4 0 3 内部使用差分电路结构，并有自动 纠错的逻辑结构电路，差分非线性误差只有0 6 l s b ，积分非线性误差1 5 l s b 。此 外，该器件还具有很宽的工作温度范围，可在一4 0 一8 5 范围内正常工作。 1 6 郑州大学硕 学位论文用于太| 年i 电池测试u s b 接u 数据采集器硬件电路的设计 t h s l 4 0 3 的输入信号可以采用差分输入形式 位数字输出信号可以表示为直接的二进制形式， t h s l 4 0 3 具采用先进的c m o s 工艺，t q f p 封装形式， 表2 1 也可以采用单端输入方式。1 4 也可以是二进制补码的形式。 其具体管脚功能如下表所示： 管脚名管脚号 i o功能描述 a 1 ：0 4 0 4 l i 寄存器地址输入 a g n d 7 ，8 ，4 4 ，4 5 ，4 6模拟电源地 a y d d 2 ，4 3 ，4 7模拟电源供应 c l k3 2i 时钟输入 删l 4 参考电压中点，与模拟地之间接o 1 u f 电容 3 7i 片选输入，低电乎有效 c s d g n d 9 ，1 5 ，2 5 ，3 3 ，3 4数字电源地 d v d d 1 4 ，2 0 ，2 6 ，3 0 ，3 l ，4 2 d 1 3 0 l l ，1 2 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，1 8i 0数字信号输入输出 1 9 2 1 ，