嵌入式綠色電能監測系統

國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學

電 機 工 程 系 研 究所

碩 士 論 文

嵌入式綠色電能監測系統

Embedded System for Monitoring Green energy

研 究 生：蔡 昌 明

指導教授：吳 坤 德

嵌入式綠色電能監測系統

Embedded System for Monitoring Green energy

研 究 生：蔡 昌 明 Student：Ching-ming Tsai

指導教授：吳 坤 德 Advisor：Kuen-Der Wu

國立高雄應用科技大學

電機工程系研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to

Institute of Electrical Engineering

Nation Kaohsiung University of Applied Sciences

in Partial Fulfillment of the Requirments

for the Degree of

Master of Engineering

In

Electrical Engineering

May 2006

Kaohsiung,Taiwan,Republic of China

中華民國九十五年五月

嵌入式綠色電能監測系統

學生：蔡昌明 指導教授：吳坤德

國立高雄應用科技大學電機工程系研究所

摘要

再生能源本身的供應非常不穩定，會導致電力品質變差，因此必

需發展一套能隨時監測供電設備狀態的監測系統。嵌入式系統因其體

積小，極適合嵌入於各種機器或設備內作為處理中樞之用，即使戶外

型之再生能源設備亦可適用。

本論文將發展由數位信號處理器(DSP)與嵌入式系統(ARM)組成

之綠色電能監測系統。本監測系統利用 DSP 晶片取得綠色電能監測

系 統 之 電 力 參 數 ， 將 取 得 的 電 力 參 數 經 計 算 之 後 ， 傳 送 到 由 至

DMA-ARM9 2410 嵌入式系統開發設計平台，將要監測的直流功率、

直流電壓、直流電流、交流功率、交流電流、交流電壓、頻率、總瓦

特數等電力參數，搭配嵌入式 Linux 系統 Qt/Embedded 軟體，完整的

呈現在 LCD 畫面上，最後完成具有操作簡單、畫面精緻與不佔空間

等優點的嵌入式綠色能源監測系統。

關键詞：數位信號處理器，嵌入式系統、綠色能源，監測系統。

Embedded System for Monitoring Green Energy

Student：Ching-Yu Cheng Advisors：Kuen-Der Wu

Institute of Electrical Engineering

National Kaohsiung University of Applied Sciences

Abstract

The supply of the renewable energy is very unstable. It may result in

poor power quality. Hence, the development of a monitor system is

important. The embedded system has advantage of small size, and it is

suitable to be embedded in various kinds of machines or the equipment to

act as a process center. The embedded system can be applied to monitor

the renewable energy equipment even in the outdoor.

This paper presents an embedded based green energy monitor system.

This green energy monitor system includes a digital signal processor DSP

TMS302F2407 and an ARM 9. The DSP is used to catch and calculate the

power parameters of green energy system. Then the calculated results are

sent to the development platform of embedded system DMA-ARM9 2410.

The Linux based operating system Qt/embedded software are used to

manage the power parameters, such as DC power, DC voltage, DC

current, AC power, AC current, AC voltage, frequency and total watt

received from DSP. Then, the above power parameters will display in the

LCD. Finally, an embedded green energy system with the advantages of

simplified operation, exquisite picture and saving space is implemented.

Keywords：digital signal processor, embedded system, green energy,

monitor system.

誌 謝

本論文得以順利完成，首先要感謝指導教授 吳坤德、 周亮宏老

師，在這二年期間，除了學業的指導，讓我培養學識素養及經歷精進

許多外，在生活上也給與鼓勵與教誨，使我能夠在研究期間，擁有足

夠的資源與知識去完成本論文，在此，謹致最深的謝忱與敬意。再者，

承蒙 謝承道博士與 吳晉昌博士在研究過程給予許多寶貴的意見，在

此同時致以誠摰的感謝。

此外，感謝電力電子研究室的文榮、慶宇學長，灌輸許多硬體電

路觀念及實作電路的經驗，讓我入門更加容易，以及 竣傑同學在研

究期間互相的討論與砥礪，對於實驗室的學弟，幫忙分擔實驗的事

務，在此同表謝意。另外，感謝 范均誌同學，在軟體及資工方面給

與最大的幫助。

最後，感謝我的父母親與家人，在生活上的關懷與支持，讓我在

經濟上及心理上得到援助，能夠無後顧之憂，專心致力於研究，順利

完成研究所學業。

目錄

中文摘要………. i

英文摘要……… ii

誌 謝………. iii

目 錄………..….. iv

圖目錄...………... vi

表目錄..………... viii

第一章 前言.………. 1

1.1 研究背景與動機………. 1

1.2 國際間能源科技研發重點………. 3

1.3 我國能源科技研發………. 3

1.4 嵌入式監測系統的目的………. 4

1.5 章節概述 ... 4

第二章 嵌入式系統……… 5

2.1 系統架構 ………. 5

2.2 嵌入式系統………. 5

2.3 ARM………. 5

2.4 ARM9………... 7

2.5 ARM920T……….. 9

2.6 SOC 系統………. 10

2.7 S3C2410……….. 10

2.8 嵌入式作業系統的選用……… 16

2.9 Windows CE………... 16

2.10 Embedded Linux..………..……… 17

2.11 Qt/Embedded 的介紹... 19

2.12 交叉編譯 ...…... 20

第三章 硬體電路…..…….………. 21

3.1 太陽能板………..………... 21

3.2 電子電路...……….……….... 22

3.2.1 直流/直流電能轉換器……….. 22 3.2.2 直流/交流電能轉換器………... 23 3.2.3 界面信號調整電路...……….. 23

3.3 DSP-TMS320F2407…..………..………..…….... 24

3.4 DSP 之類比/數位轉換 ADC 模組……… 27

3.5 數位訊號計算程式...……… 28

3.6 DSP 串列通訊介面 SCI...……… 30

3.6.1 SCI 程式流程圖…... 30

3.6.2 SCI 包德率計算... 31

3.7 RS-232………...……… 32

3.7.1 在 Visual Basic 下使用 RS232 收資料... 33 3.7.2 在 Linux 系統下使用 RS232 接收資料... 34 3.7

DMA 2410 嵌入式開發板... 36

第四章 監測值的演算法..…….………. 38

第五章 研究流程……..……….………. 45

5.1 DMA 2410 嵌入式開發板……….. 45

5.2 研究流程步驟………... 46

第六章 研究成果……….………. 58

6.1 監測平台………... 58

6.2

監測視窗...………... 58

6.2.1 監測畫面一... 58 6.2.2 監測畫面二... 60

6.4

研究成果………... 60

第七章 結論…………..……….………. 63

7.1 成果………... 63

7.2 預期對產業界的貢獻………... 63

7.3 未來研究方向………..………... 59

參考文獻……….. 64

圖目錄

圖1-1 世界初級能源消費之結構圖..……… 1

圖1-2 世界能源資源蘊藏(2001年)…..………. 2

圖1-3 1990~2000世界初級能源消耗之成長表……….………... 2

圖1-4 台灣能源需求增值圖.……..………... 2

圖1-5 我國再生能源發展目標..……….... 4

圖2-1 ARM9系列處理器的組成………... 7

圖2-2

ARM920T功能方塊圖...

………... 9

圖2-3

S3C2410功能方塊圖...

………... 15

圖2-4 Windows CE作業系統畫面………... 16

圖2-5 Qt/Embedded作業系統畫面..………..……..…………... 17

圖2-6 GPE作業系統畫面…………..………..…………... 18

圖2-7 Microwindows作業系統畫面..………..…………... 18

圖2-8 MiniGUE作業系統..……….………..………...…... 18

圖3-1 太陽能電池種類……..……..………..……..…………... 21

圖3-2 太陽能電池發電原理………..……..…………... 22

圖3-3 升壓型直流⁄直流轉換器之功率電路...…..…………... 22

圖3-4 全橋式換流器之功率電路…..………..…………... 23

圖3-5 電流信號擷取方塊圖…………..…………..…………... 23

圖3-6 TMS320F2407的功能方塊圖…..………...…………... 25

圖3-7 DSP2407程式與資料記憶體位址分佈圖...………... 26

圖3-8 DSP主程式流程圖...………... 27

圖3-9 ADC轉換方塊配置圖...…………... 28

圖3-10 SCI電路結構方塊圖....………...………….…………... 30

圖3-11 SCI程式流程圖....…………...……….…………... 32

圖3-12 RS-232串列埠…………..………... 33

圖3-13 RS232跳線圖…………..……….………... 33

圖3-14 MSComm之串列元件....……….………... 33

圖3-15 Linux與硬體之關係………....…………... 34

圖3-16 RS232讀取資料程式流程圖………….…..…………... 35

圖3-17 DMA 2410嵌入式系統開發設計平台…..…………... 36

圖3-18 DMA 2410處理器硬體圖…..……..…………... 37

圖5-1 利用Qt Designer 形成的表單..…...………..47

圖5-2 sjf2410之JTAG燒寫軟體……..…...………..49

圖5-3 JTAG燒寫SST39VF160……..…...………..49

圖5-4 DNW2410軟體設定…………..…...………..50

圖5-5 DNW2410USB連上的訊息..……...………..50

圖5-6 DMA2410的BIOS啓動…….……...………..51

圖5-7 燒寫內核zImage至分區1..………...………..52

圖5-8 開機畫面………...………..53

圖5-9 觸碰影幕測試視窗..………...………..53

圖5-10 選擇語言之視窗..………...………..54

圖5-11 Application應用程式視窗……...………..54

圖5-12 Games視窗..………...…...………..55

圖5-13 Settings視窗……...………...…...………..55

圖5-14 太陽能電池雙轉換器系統方塊圖...………..56

圖5-15 太陽能監測系流程圖….……...………..57

圖6-1 S3C2410實作平台介紹…..……...………..58

圖6-2 監測視窗程式....……..…..……...……….…..59

圖6-3 監測畫面一…………..…..……...……….…..59

圖6-4 監測畫面二…………..…..……...……….…..60

圖6-5 監測畫面之量測點..…..…..……...…...……….…...61

圖6-6 監測畫面一之實測波形圖..……...…...……….…...61

圖6-7 監測畫面二之實測數值..…...…...……….…...62

表目錄

表 3-1 ADC 轉換結果值………...29

表 3-2 串列埠各腳位功能………..……….……….. 32

表 4-1 監測數值基本公式表……….…… 42

第一章 前言

1.1 研究背景與動機

能源使用隨著社會經濟的發展及人們生活水準的提高而逐步增加，未來能源 需求量預期將持續成長中，而其中化石燃料－煤炭、石油與天然氣，合計占全球 現在使用能源總量的百分之八十五以上，如圖1-1所示。但根據經濟部能源委員 圖1-1 世界初級能源消費之結構圖 會九十一年五月「臺灣能源統計年報（九十年）」資料顯示，在技術與成本的限 制下，預估世界石油蘊藏量只可再開採四十年，天然氣可開採六十二年，煤炭可 開採二百一十六年[1]，而核能發電的燃料源自鈾礦，預估尚可開採四十八年， 如圖1-2所示；可看出現在全世界依賴最深的主要能源－石油及天然氣，在二十 一世紀的前半，就將日趨枯竭。 目前全球因為石油、天然氣等能源生產設備過度投資，造成市場供過於求， 同時隨著諸多產地蘊藏量降低，造成油價逐年上漲，全球將面臨能源價格劇烈波 動，此將衝擊全球經濟發展。未來新世紀之能源科技發展方向，主要為解決上述 之能源供應及全球之環境保護兩方面課題，包含下列新挑戰：(1)因應未來經濟 發展所造成能源需求快速成長，需賴能源充裕及穩定供給。(2)傳統能源逐漸耗 竭，尋求新的替代能源日益殷切；(3)為因應全球氣候變遷，必須力行溫室氣體 減量；(4)整體能源策略必須考慮技術、環保、經濟、社會、政治等各面向之緊 密關連及互動。如圖1-3所示，過去十年間(1990年至2000年)，世界初級能源消費 之年平均成長率為1.0％，亞太地區能源消費之年平均成長率為2.8％[2]。 我國近年來經濟發展快速，生活水準提昇，對於能源之需求逐年遞增，進口 能源依存度，從民國五十年代初的百分之二十幾、民國六十年代初的百分之六十 幾，一直上升至民國九十年近百分之九十七[1](如圖1-4)。

圖1-2 世界能源資源蘊藏(2001年) 圖1-3 1990~2000世界初級能源消費之成長表 0 20 40 60 80 100 50 60 70 80 90

年(民國)

圖 1-4 台灣能源需求增值圖

%

未來隨著經濟發展的需要，進口能源的比例仍將持續上升。然而民眾對生活 與環境品質要求漸高與化石燃料蘊藏有限的危機下，再加上各類環境污染問題於 世界各地浮現，民間環保意識萌起，對於能源利用所帶來的污染排放，尤其是燃 燒化石燃料產生的二氧化碳以及核能電廠的輻射污染，大多有共識，應加以限 制，因而使得對環境影響相對較低的再生能源蓬勃發展，逐漸成為世界潮流，因 此提高再生能源的利用已是不可避免的趨勢。

1.2 國際間能源科技研發重點

為了降低傳統化石能源的影響，國際間已建立共識，積極推動增加再生能源 之開發與利用，美、日、歐各國均投入大量研發資源，其研發重點因國情各有不 同，然就整個研發方向而言，重點不外乎國際能源總署(International Energy Agency，IEA)所擬定之領域，即包括[4] ¾ 化石能源(fossil fuels)：主要進行零排放技術研發、石化燃料技術(含淨煤技 術)、運輸、利用與儲存技術、及二氣化碳捕捉利用技術等。 ¾ 再生能源(renewable energy)：重點包括太陽光電系統、太陽光化學能系統、 太陽熱能能與冷卻系統、風力發電系統、生物能和海洋能之開發研究。 ¾ 能源使用端技術(end-use technologies)：重點包含燃料電池、氫能技術、以及 高效率渦輪發電等發電技術、節約能源與排放減量技術、熱傳輸節能、高溫 超導發電、熱儲存節能及熱泵技術等。 ¾ 核熔合技術(fusion power)：包括熱熔合設備及替代方式、材料、技術、及環 境、安全和經濟性研究。

1.3 我國能源科技研發

再生能源是潔淨且可於本地自產的能源，依據 IEA 的預測，自 2004 年至 2030 年再生能源的需求量將會成長三倍(不包括水力發電)[3]。近年來我國政府一直以 再生能源科技之研究為主要的發展重點，究其主要的原因有： 1. 對於傳統的能源包括煤炭、石油及天然氣進口依存度相當高。 2. 台灣屬於海島型國家，缺乏天然資源。 3. 大量使用化石能源，其燃燒及排放，所造成的全球暖化現象，氣候因此變遷， 導致旱災、水災等許多災難。 4. 台灣地處熱帶及副熱帶地區，大多數具有豐富的太陽輻射能適合發展太陽能 電池，另外還有多風的西海岸地區、離島適合發展風力發電，中南部的小水 力發電。 5. 全球環保問題，在國際間共識下，已簽署多項國際環境公約，如 1992 年已超 過 155 個國家簽署「氣候變化綱要公約」及 1997 年的「京都議定書」正式管 制 39 個成員國之溫室氣體排放等共同規範。 如圖 1-5 所示，我國規劃中長期(2010~2020)再生能源發電容量配比達 12% 以上，裝置容量將擴增為現有 3 倍，達 650 萬瓩以上[5]。

圖 1-5 我國再生能源發展目標 只是儘管再生能源具備減輕環境負擔、促進能源多元化、提高能源自主性等 多重效益，在目前許多國家尚未將能源使用的外部成本納入能源價格時，再生能 源仍因經濟效益不足而難以與傳統能源競爭，大多必須仰賴政府的財政支援。再 生能源技術的發展已漸可突破此項限制，使其未來的發展呈現無窮的可能[6]。

1.4 嵌入式監測系統的目的

再生能源將會是未來能源的供應主要來源之一，但再生能源本身的供應非常 不穩，常常會因為一些外在的因素，而使得能源的電力品質變差，例如：太陽能 發電會因陰天或者是下雨而使得功率不足，而風能發電會因風力的不同，使得產 生的功率不同…等，在供電品質不良的環境下，對於產業用戶所使用的精密設備 非常容易故障中斷，往往會造成極大的損失，或因而承擔一筆修理及中斷成本， 為了解再生能源之發電狀況，必需發展一套能隨時監測供電設備的監測系統[7]。 嵌入式系統其外型經過適當的設計及處理，因此安置的空間很小，極適合嵌 入於各種機器或設備內作為處理中樞之用，與傳統上個人電腦為主的監測系統的 體積有很大的差別，對於裝置常在戶外的再生能源設備相當適合。 本論文將發展一套嵌入式監測系統，將再生能源的訊號，經由單晶片計算分 析之後，再由串列埠送至嵌入式目標硬體平台，最後經嵌入式目標硬體平台處 理，將其數值完整的呈現在 LCD 畫面上，以完成操作簡單、畫面精緻、不佔空 間的綠色電能監測系統。

1.5 章節概述

本文第一章首先對綠色電源及發展現況及使用嵌人式系統的原因作簡單的 介紹。第二章對於嵌入式系統軟體及硬體作一詳細的介紹。第三章針對整體的硬 體電路分別介紹，包括太陽能板、電子電路、DSP、數位訊號計算程、RS232 及 DMA2410 開發平台。第四章是介紹以 IEEE Std 1459-2000 試用規範中所相關的 電力參數。接著將試用規範中的電力參數離散化介紹。第六章為在開發 DMA 2410 時，整個流程及步驟詳細講解。第六章將本文所開發之程式進行量測，最 後與 FLUKE433 作比較，以確認本文符合要求。第七章將對本文研究結果做一 結論，及未來後續發展方向及建議。

第二章 嵌入式系統

2.1 系統架構

本論文將再生能源訊號，經由 DSP 晶片取得訊號數值；將取得的數值計算

分析之後，經由 RS232 傳送到 DMA-ARM9 2410 嵌入式系統開發設計平台，將 要監測的 DC Power、DC Current、DC Voltage、AC Power、AC Current、AC Voltage 、 AC Frequency 、 Total W… 等 項 目 [8] ， 經 由 嵌 入 式 Linux 系 統 的 Qt/Embedded 軟體，分別呈現在 LCD 畫面上，以完成嵌入式監測系統。

2.2 嵌入式系統

在日常生活當中，無論是否曾經察覺，我們都是被環繞在嵌入式系統當中 的，例如在電視、錄影機、微波爐、CD 播放機、數位式相機、行動電話、PDA 等，都可以找到相當數量的嵌入式系統。而這樣的現象必須感謝先進旳半導體技 術之賜，使得嵌入式系統在最短的時間裡變的強而有力。

嵌入式系統(Embedded system)其主要的目的在於以 PC-based 為架構，提供 一個一般工業控制應用所需的系統開發平台，具有一般工業應用中所需的功能： 運動控制(motion control)、影像處理(vision process)、數位及類比訊號(analog and digital I/O signal)控制、多串列埠支援(multi RS-232/422/458 port support)，而藉由 事先全盤的設計考量，針對不同的應用需求，提供不同的配備。嵌入式系統可拆 解為軟體及硬體兩大部分；而硬體又可劃分為中央處理器(CPU)及輸出入界面 (I/O)兩大類；至於在軟體方面，作業系統(operating system)的選用往往是決定日 後控制器功能表現能否符合需求的重要因素[9]。在本論文中，是以三星公司的 S3C2410 作為核心晶片，當中 ARM9 為其中央處理器，作業系統選用嵌入式 Linux，以下將針對這些部份詳細介紹。

2.3 ARM

ARM、Atmel、Intel、Motorola、National Semiconductors 等等廠商都有很多 種類的 16 位元及 32 位元微處理器可以選擇。ARＭ是 Advanced RISC Machines 的縮寫，而以 ARM 技術為主的微處理器應用約佔據 32 位 RISC 微處理器 75% 以上的市場領域，其範圍包括工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、 無線系統等各類產品市場，所以 ARM 技術已正在逐漸地滲透到我們生活的各個 方面[10]：

1、 工業控制領域：在 32-bit 的 RISC 架構下的 ARM 核蕊微控制晶片不但佔據 了大部份的高階微控制器市場的領域，同時也逐漸向低階微控制器應用領域 來擴展。由於 ARM 微控控制器的低消耗功率、高性能，以及目前逐漸的壓 低單價，已向傳統的 8 位元/16 位元的微控制器提出了前所未有的挑戰。

2、 無線通訊領域：目前已有超過 85%的無線通訊設備採用了 ARM 技術[11]， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位已日益鞏固。 3、 網路應用：隨著寬帶技術的推廣，採用 ARM 技術的 ADSL 晶片正逐步獲得 競爭優勢。例如，廣泛應用在路由器(Router)中。此外，ARM 在語音及視頻 處理上進行了改良，並獲得廣泛支持，也對 DSP 的應用領域提出了挑戰。 4、 消費類電子產品：ARM 技術在目前流行的 MP3 播放器、數位機頂盒以及遊 戲機中被廣泛地採用。 5、 影像和保全產品：現在流行的數位相機和印表機中，絕大部份採用 ARM 技 術。手機中的 32 位 SIM 智慧卡也採用了 ARM 技術。 這種採用 RISC 架構的 ARM 微處理器一般都會具有如下的特點﹕ 1、 體積小、低消耗功率、低成本與高性能。 2、 支援 Thumb(16 位元)/ARM(32 位元)雙指令集， 3、 同時相容 8 位元/16 位元的元件。 4、 大量使用暫存器，指令執行速度更快。 5、 大多數資料操作都在暫存器中完成。 6、 定址方式靈活簡單，執行效率高。 7、 指令長度固定。 ARM 系列家族共包含了下列族系： ‹ ARM7 族系： 該族系包括 ARM7TDMI、AMR7TDMI-S、ARM7EJS、ARM720T，它可運 作達 130MIPS；以 16bit(Thumb mode)及 32bit(ARM mode)運作；較新 ARM 的相 容 的 碼 、 如 ARM9 、 ARM10 。 在 這 族 系 中 較 特 別 的 是 ARM720T ， 它 有 MMU(Memory Management unit)及 8K 的共同 Cache(Instruction 與 Data 共用)； 3 層 pipeline。

‹ ARM9 族系

該族系包括 ARM920T、ARM922T、ARM940T。它可運作達 300MIPS；同 樣也可在 Thumb mode 及 ARM mode 下運作；它們都具有 4K 至 16K 不等的 Instruction Cache 與 Data Cache、也都有 MMU；具有 5 層 pipeline。

‹ ARM9E 族系

該族系包括 ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S、ARM968E-S，它可 運作達 300MIPS;同樣也可在 Thumb mode 及 ARM mode 下運作；它們具有 4K~128K~1MB 不等的 Instruction Cache 與 Data Cache，還有 MMU。唯獨 ARM966E-S 沒有 Cache 及 MMU。但它們都擁有 DSP；具有 5 層 pipeline。 ‹ ARM10E 族系

該族系包括 ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S。它可運作達 430MIPS； 同樣也可在 Thumb mode 及 ARM mode 下運作；ARM1020E 與 ARM1022E 具 有 32K 與 16K 之 Instruction Cache，Data Cache；唯獨 ARM10126EJ-S 無 Cache； 它們都有 MMU 及 DSP；有 6 層 pipeline；有 64bit AMBA AHB bus 界面及 64bit internal bus 架構。

‹ ARM11 族系

該族系包括 ARM 1136J(F)-S、ARM1156T2(F)-S，ARM1176JZ(F)-S，這族系 已是一個相當複雜的 core，運作 MIPS 已高過 550 以上，且它們都有不同的計算 方式；有 4~64K Cache；也有 MMU，但與前面族系有不同的架構；有 8 層的 integer pipeline；有 64bit 的 bus 界面。

2.4 ARM9

ARM 微處理器目前包括 ARM7 系列、ARM9 系列、ARM9E 系列、ARM10 系列，且每一個系列都提供了一組特定的性能來滿足不同應用領域的需求。本論 文是以 ARM9 系列中的 ARM920T 做為監控系統微處理器。ARM9 系列的微處 理 器 中 ， 因 為 其 內 部 加 了 不 同 的 硬 體 設 備 ， 故 有 以 下 幾 種 編 碼 的 區 別 ： ARM920T、ARM922T 及 ARM940T；這些處理器的編碼主要都是以 ARM9TDMI 為主體，再加上 cache 以及 MMU 或是保護單元，來增加運算和執行上的效率。 各處理器之硬體組成特性差別[12]，如圖 2-1 所示。

MMU MMU 保護單元

Dual 16KB cache Dual 8KB cache Dual 4KB cache Embedded ICE-RT Embedded ICE-RT Embedded ICE-RT

ARM9 核蕊 ARM9 核蕊 ARM9 核蕊 ARM9 指令集 ARM9 指令集 ARM9 指令集 Thumb 指令集 Thumb 指令集 Thumb 指令集

ASB 介面 ASB 介面 ASB 介面

ARM920T ARM922T ARM940T

開放平台處理核蕊 開放平台處理核蕊 嵌入式 RTOS 核蕊 圖 2-1 ARM9 系列處理器的組成特性

ARM9TDMI 這個編碼上的 T、D、M、I 各有代表之意義，其代表著這個 ARM 核心提供的基本功能。其意義如下所示：

‹ T(Thumb)：支授 Thumb 指令集

對 ARM 指令集而言，Thumb 模式是個極具特色的功能選項。由於目前許 多的嵌入式系統皆會要求降低程式碼尺寸(code size)至最小的需求，因此 Thumb 模式採用 16 位元的編碼方式以達到 32 位元的指令功能，如此便可有效將程式碼 進行壓縮。一般來說，THUMB 模組約可降低 25%至 35%的程式碼大小。 ‹ D(Debugger)：除錯器 ARM9TDMI 內提供了除錯器，可與軟體配合來協助程式設計者進行除錯的 工作。除錯器模組中含有中斷點暫存器和觀測點暫存器，當程式進入中斷點或觀 測點，且條件吻合時，CPU 便會進入除錯模式，且可以藉著串列除錯介面來讀 出目前 ARM 核心的狀態資訊。 ‹ M(Multiplier)：快速乘法器 對 ARM9 核心而言，M 代表著增加一組快速整數乘法器。這個乘法器並沒 有要求整數乘積結果必須等於或小於 32 位元的限制，除了原來 32 位元乘以 32 位元得到 32 位元的乘法運算可以實現外，亦提供 32 位元乘以 32 位元得到 64 位元的乘法功能。另外，快速乘法器也較早期的 Booth 乘法器更加優秀，其性能 或運算能力足足提昇了四倍之多。

‹ I(Embedded ICE Logic)：嵌入式 ICE

嵌入式 ICE(In Circuit Emulator)模組是可以讓使用者輕易存取除錯器的內容 之電路模組。 ARM9 系統主要應用於無線設備、儀器儀錶、保全系統、機頂盒、高階印表 機、數位照相機和數位攝影機等，且在高性能和低功率特性方面提供了最佳的選 擇。其中，具有以下的特點﹕ ¾ 5 級整數管線，指令執行效率更高。 ¾ 提供 1.1MMIPS/MHz 的哈佛結構。 ¾ 支援 32 位元 ARM 指令集和 16 位元 Thumb 指令集。 ¾ 支援 32 位元的高速 AMBA 匯流排界面。

¾ 全功能的 MMU，可支援 Windows CE、Linux、以及 Palm OS 等多種主流的 嵌入式作業系統。

¾ MPU 支援即時操作系統。

2.5 ARM920T

ARM920T 微處理器是乃是以 ARM9TDMI 為核心。ARM920T 為哈佛 cache 架構之處理器，主要用於完全的記憶體管理，高效能，低功能之 multiprogrammer 應用。其內建了 16KB 的指令 cache 和 16KB 的資料 cache 以降低 CPU 對記憶體 讀取資料之時間消耗。另外 ARM920T 更提供了增強型 ARM 結構 V4 MMU 以 支授指令或資料位址之轉變和存取權限的檢查。 在除錯及擴充部份，ARM920T 支授 ARM 除錯結構邏輯以協助使用者進行 軟/硬體的除錯。其亦提供了指令，資料匯流排以及簡易的交握信號以支授 coprocessors 的應用。 在 ARM920T 與系統之間的界而係經由一個一致性的位址、資料匯流排來溝 通。這個界面可相容於增型微控制匯流排架構(AMBA)之匯排體制，其體制是由 ARM 原廠公司所提出的一種匯流排協定，其規格主要是定在設計 SOC 架構的一 個開放性標準；另外，ARM920T 亦有提供了 Tracking ICE 模式。其與一般常見 的 ICE 模式相仿。圖 2-2 便是 ARM920T 之功能方塊圖：

2.6 SOC 系統

嵌入式系統的核心是各種類別型的嵌入式處理器，而全世界的嵌入式處理器 的品種總量已經超過了 1000 多種，流行體系結構有 30 幾個系列，如何在種類紛 繁的嵌入式處理器中選擇適合應用需求的處理器必須考量：(1)嵌入式處理器能 否在技術上實現應用，(2)嵌入式處理器的成本是否符合應用要求。對於嵌入式 處理器能否在技術上實現應用需要考慮到應用在執行時的特點，比如應用對即時 性的要求，對計算量和計算速度的要求，對週邊介面電路的要求，對圖形用戶介 面的要求等。 近年來，隨著 EDI 的推廣和 VLSI 設計的普及化，及半導體工業的迅速發展， 在一個矽晶片上實現一個更為複雜的系統的時代已來臨，這就是 System on ship (SOC)。各種通用處理器核心將作為 SOC 設計的標準資料庫，和許多其他嵌入式 系統設計一樣，成為 VLSI 設計中一種標準的器具，用標準的 VHDL 等語言描述， 儲存暫存器具的資庫中。用戶只需定義出其整個應用系統，模擬通過後就可以將 設計圖交給半導體工廠製作樣品。整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊 晶片中，應用系統電路板將變得很簡潔，對於減小體積和低功率消耗、提高可靠 性非常有利。 由於 SOC 晶片集成了處理器和許多常用的週邊介面晶片，使得它的功能變 得很強大，能夠應用的領域和場合變得很廣，所以嵌入式開發板的廠商選擇 SOC 晶片作為開發板的核心晶片。三星的 S3C2410 就是這樣一款帶有 ARM920T 處 理器的 SOC 晶片，由於主頻高，內置 LCD 和觸控螢幕控制器，以及聲音控制器 等週邊電路，因而用在對圖形用戶介面有較高要求的場合是非常合適[13]。因為 ARM9 處理器的 Linux 編譯器早已發佈，所以有很好的 Linux 支援。

2.7 S3C2410

S3C2410 是 Samsung 公司以 ARM920T 為核心所製作的一顆 16/32 位元 RISC 微處理器，主要設計應用於有低功率、高效能且體積小的手握式裝置或是應用產 品。在功能方面，為了降低整個應用系統的成本，S3C2410 內部的結構包含[13]： (1) 1.8V 核心電壓，1.8V、2.5V、3.3V 記憶體電壓，3.3V 外部 I/O 電壓。 (2) 16K 的指令 cache/資料 cache， (3) 外部記憶體控制器(SDRAM 控制和晶片選擇邏輯)。 (4) LCD 控制器(最大 4K 彩色 STN 和 256 彩色 TFT)和一個 LCD 專屬 DMA 通道。 (5) 4 個 DMA 通道和外部要求腳位。 (6) 3 個 UART 通道和 2 個 SPI 通道

(8) SD Host 界面 V1.0 & 相容 MMC 協定 V2.11。 (9) 2 個 USB Host 埠/一個 USB device 埠。

(10) 4 個 PWM 計時器通道 & 一個內部計時器通道。 (11) Watch dog 計時器。

(12) 117 個一般功能 I/O 埠和 24 個外部中斷來源。

(13) 電源控制：Normal、Slow、Idle、Power-off 等模式。 (14) 8 個 10-bit ADC 通道和 Touch screen 界面。

(15) RTC 功能。 (16) 內部時脈產生器與 PLL 功能。 將這些功能縮於一個小小的 BGA 包裝中，這當然也就可以達到高效能、體積小、 低成本等需求。 S3C2410 具有下列幾項特色[13]： ‹ 結構：

1. 16/32bit RISC 結構與 ARM920T CPU 核心及指令集

2. 增強型 ARM 結構與 MMU 以支援 WinCE，EPOC32 和 Linux。

3. 提供指令 cache ，資料 cache ，write buffer 和實體位址 TAG ARM 等 功能，以降低 CPU 受到主記憶體的寬度限制，影響執行效能。

4. ARM920T CPU 核心支援 ARM 除錯結構，內建 AMBA 機制。 ‹ 系統管理者： 1. 支援 Little/BigEndian。 2. 定址空間：各個 bank 有 128M bytes。 3. 各 bank 皆可支援 8/16/32bit 之資料匯流排寬度。 4. bank0~bank6 採固定之 bank 起始位址。 5. bank7 可規劃起始位址和 bank 長度。 6. 共提供 8 個記憶體 bank： (1)針對 ROM、SRAM 或其它裝置，共提供 6 個記憶體 bank。 (2)針對 ROM、SRAM、SDRAM，共提供二個記憶體 bank。 7. 記憶體 bank 皆可完全的規劃其存取週期。

8. SDRAM 在 power-down 下，支援 self-refresh 模式。 9. 支援外部等待信號以延長匯流排週期。

‹ NAND Flash Boot Loader：

1. 支援由 NAND Flash 記憶體 booting。 2. 4KB 內部 buffer 使用於 booting。

3. NAND Flash 記憶體在 booting 之後可當成一般存儲記憶體使用。 ‹ Cache 記憶體：

1. 64 個入口集組合的 I-Cache(16KB)和 D-Cache(16KB)。

2. 每個 Line 為 8-words 另外會加上一個有效位元和二個 dirty 位元。 3. 隨機或是 round robin 替代演算法。

4. 可透過 write through 或是 write back 等 cache 操作以更新主要記憶體。 5. Write buffer 可容納 16 words 個資料和 4 個位址。

‹ 時脈和電源管理者：

1. On-chip MPLL 和 UPLL：

(1) UPLL 可產生 USB Host/Device 使用的時脈。 (2) MPLL 可產生 MCU 工作所需之時脈。 2. 各個功能區塊所需之時脈可經由軟體來選擇提供。 3. 電源模式： (1) Normal 模式：一般操作模式。 (2) Slow 模式：不使用 PLL 的低頻時脈工作。 (3) Idle 模式：只有停止供應 CPU 時脈，其餘裝置仍繼續動作。 (4) Power-off 模式：包含核心與週邊之電源皆關閉。

4. 可經由 EINT[15:0]或 RTC 的 Alarm 中斷來喚醒 Power-Off 模式。 ‹ 中斷控制器：

1. 提供了 55 個中斷源：一個 watch dog 計時器，五個計時器、九個 UART、 二十四個外部中斷、四個 DMA、二個 RTC、二個 ADC、一個 IIC、二 個 SPI、一個 SDI、二個 USB、一個 LCD、和一個電池故障。

2. 外部中斷來源可分為準位(level)或邊緣(cdge)觸發模式。 3. 可規劃之邊緣和準位極性。 4. 針對非常緊急之中斷要求提供了快速中斷要求(FIQ)。 ‹ 計時器/PWM： 1. 四個 16 位元計時器/PWM，一個 16 位元內部計時器。 2. 可規劃之功率週期，頻率和極性。 3. Dead-zone 之產生。 4. 支援外部時脈來源。

‹ RTC(Real time clock)： 1. 完整的萬年曆特性。 2. 工作於 32.768KHz。 3. Time tick 中斷。 ‹ UART： 1. 3 個 UART 通道。 2. 支援 5、6、7、8 等位元之串列資料的傳送/接收(TX/RX)。 3. 針對 UART 操作，支援提供外部時脈。 4. 支援 IrDA 1.0。 5. 針對功能測試有提供 Loopback 模式。

6. 各個通道皆有內建 16byte 之 TXFIFO 和 RXFIFO。 ‹ 一般功能輸入/輸出埠：

1. 24 個外部中斷埠。 2. 多工輸入/輸出埠。 ‹ DMA 控制器：

1. 四通道 DMA 控制器。

2. 支援記憶體對記憶體，I/O 對記憶體，記憶體對 I/O，I/O 對 I/O 等方式 的傳輸。

3. 提供 Burst 傳輸模式以提昇傳輸率。 ‹ A/D 轉換器 & Touch screen 界面：

1. 八個多工 ADC 通道。

2. 最高速可達 500KSPS 且解析度為 10 位元。 ‹ LCD 控制器：

¾ STN LCD 顯示器特色：

1. 支援三種 STN LCD panels 格式：4 位元 dual scan、4 位元 single scan、8 位元 single。

2. 支援黑白模式，4 灰階，16 灰階，256 彩色及 4096 彩色。

3. 支援多種螢幕尺寸：640*480、320*240、160*160 或其他較小尺寸。 ¾ TFT 彩色 LCD 顯示器特色：

1. 彩色 TFT 支援 1、2、4、8bpp(bit-per-pixel) palette color 顯示器。 2. 彩色 TFT 支援 16pp non-palette true-color 顯示器。

3. 在 24bpp 模式下，最大可支援 16M 色之 TFT LCD。

‹ Watchdog 計時器： 1. 16 位元 watchdog 計時器。 2. time-out 時會發生中斷要求或系統重置。 ‹ IIC 匯流排界面： 1. 一個 Multi-Master IIC 匯流排。 2. 串列 8 位元資料的傳輸，可在一般模式下(100K 位元/s)或是快速模式下 (400K 位元/s)執行。 ‹ 匯流排界面：

1. 針對 audio 界面，提供一個 Multi-Master IIS 匯流排通道。 2. 每個通道的資料傳輸可為串列 8 位元或是串列 16 位元。 3. 共 128Byte 之 FIFO、Tx/Rx 各有 64Byte。

4. 支援 IIS 格式和 MSB-justified 資料格式。 ‹ USB Host： 1. 二個 USB Host 埠。 2. 相容於 OGCI Rev1.0。 3. 相容於 USB V1.1 ‹ USB Device： 1. 一個 USB Device 埠。 2. 五個 Endpoints。 3. 相容於 USB V1.1。 ‹ SD Host 界面： 1. 相容於 SD 記憶卡協定 V1.0。 2. 相容於 SDIO 協定 V1.0。 3. Tx/Rx 為 Bytes FIFO。 4. DMA 或中斷模式操作。 5. 相容於 MMC 協定 V2.11。 ‹ SPI 界面： 1. 相容於 SPI 協定 V2.11。 2. 針對 Tx/Rx 提供 2 個 8 位元移位暫存器。 3. 可操作於 DMA 或中斷下。

‹ 工作電壓範圍： 1. CPU 核心：1.8V。 2. 記憶體：2.5V/3.3V。 3. I/O：3.3V。 ‹ 工作頻率： 1. 最高可達 203MHZ。 ‹ 晶版包裝： 1. 272 個腳位 FBGA 包裝。 圖 2-3 為 S3C2410 之功能方塊圖，可清楚的看到其由 ARM920T 核心經由 AMBA 連接許多週邊功能。 圖 2-3 S3C2410 功能方塊圖[13]

2.8 嵌入式作業系統的選用

嵌入式硬體中 I/O 可比擬為身體的眼耳手腳，CPU 及 BUS 尤如神經系統， 軟體就是頭腦，以複雜的程序協調以控制系統的所有運作，而其中作業系統(OS : Operating System)負責掌管 PC 的核心作業及資源分派，重要性更是無可比擬。 當我們選定了一個嵌入式處理器之後，我們要考慮選用什麼樣的作業系統，嵌入 式處理器能否被選的作業系統支援，有沒有合適的編譯器能夠生成支援這種作業 系統和嵌入式處理器的程式集，是否影響整個應用軟體開發時的資源需求，另外 包括以下通常必須考慮到的問題：(1)系統穩定性、(2)即時(real-time)能力、(3)多 工(multi-tasking)能力、(4)支援人機界面、(5)圖形介面、(6)儲存空間大小、(7)成 本問題(包括應用軟體開發成本，每個複製成本及維護成本)等。因此如何針對不 同的應用需求，選擇適當的作業系統搭配，實為一項重要課題[14]。 從整體的應用層面來考慮問題，針對開發的系統提供一個最適當的解決方 案，當中又以 Windows CE 及 Embedded Linux 為主軸，以下將詳細介紹。

2.9 Windows CE[14]

Windows CE 是微軟(Microsoft)所推出的一個多工作業系，普及性最佳、人 機界面支援充足及開發工具普遍等因素的支持下，在 Windows CE 中開發應用系 統其實是較容易的。如圖 2-4 所示，它承繼了 Windows 在人機界面繪圖支援之 能力，而且由於一開始 Windows CE 即以嵌入式系統為目標，因此其在作業系統 所需儲存空間的需求上相當小，只要 64M 即可構建出來，即時性也是 Windows CE 的一項最強大的功能，可以節省開發的時程；由於 Windows CE 是架構於嵌 入式系統而非與一般 Windows XP 架構於桌上型系統的概念，因此在軟體的開發 流程上會有所不同，這是最須留意的地方。但 Windows CE 作業系統是屬於商品 化的產品，價格昂貴，需付出相當高的成本，不適合作為產品，且源代碼不公開， 因此在開發上需有所顧慮。 圖 2-4 Windows CE 作業系統畫面

2.10 Embedded Linux[15]

嵌入式Linux融合了嵌入式和Linux的特點，其開發與一般的應用程式開發相 較，有著自己的特點，而且免費授權。Linux工具以及其他工具，這些工具包括 針對所用CPU的編譯器/彙編器/連接器，相應的函式庫工具、目標檔分析、管理 工具及符號查看器…等，幸運的是由於Linux的開放性，針對不同目標平臺的 Linux工具，幾乎都可在網上免費得到。絕大部分的這些工具都由GNU提供所需 要的其他工具，還包括硬體廠商提供給公司的工具，如編輯器下載工具和查錯 器…等，所有的這些工具，對以後的開發測試都可說是必不可少的。實際開發時 很多時候還要進行函式庫編譯，這裏所提到的函式庫均指C函式庫GUI和系統程 式的移植；這是因為嵌入式Linux中所用的函式庫一般不能直接使用標準函式 庫，而需要進行精簡，雖然已有些精簡的C函式庫如uClibc等可供使用，但還是 需要經常對其進行修改。而在不同嵌入式Linux作業系統下，會各自發展不同的 函式庫，常用的作業系統有QT/Embedded(如圖2-5所示)、GPE(如圖2-6所示)、 Microwindows(如圖2-7所示)，MiniGUI(如圖2-8所示)，…等，都各自均有其使用 的場合所針對的目標平臺和應用層次，有些是應用時所必須的，有些則是進行測 試時所需要的，初始時則需要一些通用的系統程式。 圖2-5 Qt/Embedded作業系統畫面

圖2-6 GPE作業系統畫面

圖2-7 Microwindows作業系統畫面

2.11 Qt/Embedded 的介紹

Qt 是一個跨平臺的 C++ 圖形用戶介面庫，支援多作業系統平臺的應用程 式開發框器，且基於 Framebuffer 的 Qt Embedded、快速開發工具 Qt Designer、 國際化工具 Qt Linguist 等部分。Qt 當初主要是為了跨平臺的軟體發展者提供統 一的，精美的圖形用戶編程介面，但是現在它也提供了統一的網路和資料庫操作 的編程介面。正如微軟當年為作業系統提供了友好精緻的用戶介面一樣，今天由 於 Trolltech 的跨平臺開發框架 Qt 的出現，也使得 Linux、Unix 這些作業系統以 更方便、精美的人機界面走近工業用戶。 基本上，Qt 同 X Window 上的 Motif，Openwin，GTK 等圖形界面函式庫 和 Windows 平臺上的 MFC，OWL，VCL，ATL 是同類型的東西，但是 Qt 具 有下列優點[16]: 1、 優良的跨平臺特性：

Qt 支援下列作業系統: Microsoft Windows 95/98， Microsoft Windows NT， Linux， Solaris， SunOS， HP-UX， Digital UNIX (OSF/1， Tru64)， Irix， FreeBSD， BSD/OS， SCO， AIX， OS390，QNX 等等。

2、 面向物件： Qt 的良好封裝機制使得 Qt 的模組化程度非常高，可重用性較好，對於用 戶開發來說是非常方便的。 Qt 提供了一種稱為 signals/slots 的安全類型來 替代 callback，這使得各個元件之間的協同工作變得十分簡單。 3、 豐富的 API： Qt 包括多達 250 個以上的 C++資料庫，還提供基於範本的 collections， file， serialization，I/O device，directory management，date/time 類。甚至還 包括正規運算式的處理功能、Makefile 製作工具及字體國際化工具。 4、 支援 2D/3D 圖形及支援 OpenGL。 5、 大量的開發文檔。 6、 XML 支持。 Qt/Embedded是一個為嵌入式設備上的圖形用戶介面和應用開發而訂做的 C++開發工具，它通常可以執行在多種不同的處理器上部署的嵌入式Linux作業 系統上。如果不考處X視窗的需要，居於Qt/Embedded的應用程式可以直接對緩 衝區進行寫入操作，除了資料庫以外，Qt/Embedded還包括了幾個提高開發速度 的工具，使用標準的QT APE，我們可以非常熟練的在Windows、Linux和Unix編 程環境開發應用程。執行Qt/Embedded所需的系統資源可以很小，只要一個較小 的儲存空間(Flash)和記憶體，且Qt/Embedded可以執行在不同處理器上的Linux系 統，只要這個系統有一個線性位址的緩衝區並支援C++的編譯器，你也可以選擇

是否編譯Qt/Embedded某些你不需要的功能，從而大大減小它的的記憶體佔有量。 開發者可以使用熟悉的開發環境來編寫程式，Qt designer可以用來視覺化地 設計用戶介面，設計器有一個配置系統，它可以使你設計的視窗和元件自動根據 螢幕空間的大小而改變配置。開發者也可以選擇一個預先定義的視覺風格，或是 建立自己獨特的視覺風格。使用Linux/Unix作業系統的用戶，可以在工作站上通 過一個虛擬緩衝區的應用程式模擬嵌入式系統的顯示終端，同時Qt/Embedded也 提供了許多特定用途的非圖形元件，例如網路和資料庫交互元件。 Qt/Embedded是成熟可靠的工具開發工具，它在世界各地被廣泛使用，除了 商業上的許多應用以外，Qt/Embedded還是為小型設備提供的Qtopia應用環境的 基礎，以簡潔的系統，視覺化的表單設計和詳細的API，讓編寫程式變得愉快和 舒暢。

2.12 交叉編譯[9]

當編譯器執行在一個為另一系統產生可執行程式的系統上時，就會出現交叉 編譯，也就是說，當主機系統（執行編譯器的系統）和目標系統（產生的程式將 在其上執行的系統）不相容時，程式是在一台電腦上編譯，然後再分佈到將要使 用的其他電腦上。該過程就叫做交叉編譯。除了相容性這個明顯的好處之外，交 叉編譯還由於以下兩個原因而非常重要： 1. 當目標系統對其可用的編譯工具沒有本端設定時。 2. 當主機系統比目標系統要快得多，或者具有更多的可用資源時。 通常所使用的開發系統是 x86 架構的 Linux 系統、而發佈系統為 ARM9， 正如前面提到的，當編譯器執行在一個為另一個系統產生可執行程式的系統上， 而且兩個系統使用不同的操作環境時就會出現交叉編譯。另外，當目標系統不具 有它自己的編譯工具時，或者當開發者可以平衡主機系統潛在更好的效能或更多 的資源時，交叉編譯是有用的。 當提到交叉編譯器時，不僅僅是指將一種程式設計語言的程式碼轉換成目標 程式碼的軟體，還指其他必要的開發工具： z 一個 彙編器，它是編譯器系列工具後端的一部分。 z 一個 鏈結器，它是編譯器系列工具後端的另一部分。 z 用於處理可執行程式和程式庫的一些基本工具。 嵌入式系統的局限性往往阻礙有效的工作，而典型桌上型電腦的顯示器和鍵 盤非常有利於編輯工作，桌上型電腦的記憶體、處理器和儲存容量也更能滿足編 譯的資源需要，因此交叉編譯為開發者帶來福音。

第三章 硬體電路

3.1 太陽能板

本論文將利用太陽能發電之綠色電能系統進行監測。太陽能電池係一種利

用太陽光直接發電的光電半導體薄片，它祇要一照到光，瞬間就可輸出電壓及電 流。而此種太陽能光電池 (Solar cell)簡稱為太陽能電池，又可稱為太陽能晶片。 在 物 理 學 上 稱 為 光 生 伏 打 (Photovoltaic), 簡 稱 PV(photo light 光 線 ,voltaics electricity 電力)。 矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表，而在市場上又區分為：1. 單結晶矽 2.多結晶矽 3.非結晶矽，如圖 3-1 所示。各種太陽能電池具有不同持 性，一.單晶效率最高、二.非晶價格最便宜，且無需封裝，生產也最快、三.多結 晶矽之價板與效率則介於二者之間。太陽能電池的效能係以其轉換效率作為分 等，以單結晶矽來說：商業級 (印刷式) 晶片從 11%~15%，特殊定製品從 15%~17%，太空級 (蒸鍍式) 晶片從 16%~24%，當然效率愈高其價格就愈貴。 在本論文中所使用為第二種-多結晶矽太陽能電池[17]。 單結晶矽太陽電池 SINGLECRYSTAL 多結晶矽太陽電池 POLYCRYSTAL 非結晶矽太陽電池 AMORPHOUS 圖 3-1 太陽能電池種類 太陽能電池的發電能源來自於光的波長，太陽光是一種全域波長, 而白熾燈 的波長與日光燈的波長不同，太陽能電池以陽光或白熾燈之波長為較適用。太陽 能製造廠商將太陽能電池稱為 cell，國內業者則慣稱晶片，把晶片(或依設計所需 要的電流進行晶片切割後)焊上箔條導線再將許多焊好的晶片用箔條串聯成一 組，再和 EVA，tedlar 與低鐵質強化玻璃層層疊疊，一同放入層壓機(laminate) 的機台上做真空封裝，製成 module(plane / panel)稱之為模組或稱太陽能板。太陽 能電池發電原理如圖 3-2 所示。

圖 3-2 太陽能電池發電原理

3.2 電子電路

太陽能板吸收太陽之輻射能,，並將其轉換成 DC 電能，其中電力電子技術 部份包含直流⁄直流技術及直流⁄交流電能轉換器與電力系統併聯之控制技術。 3.2.1 直流/直流電能轉換器 DC/DC 電能轉換器如圖 3-3 所示[18]，此直流⁄直流轉換電路之功率級為一標 準的升壓型電路其組成包括其中包括一功率開關 G0、功率二極體 D1、儲能電感 L1及輸出端穩壓電容 C1。因其為升壓轉換器，所以其輸出端電壓高於輸入端電

+

-V

in

C

₁

D

1

L

1

G

0

+

-V

d 圖 3-3 升壓型直流⁄直流轉換器之功率電路

壓，其動作原理為當開關導通時，二極體反向偏壓，輸入電能儲存於電感中，負 載電能則由電容器提供，當開關截止時，電感儲能經二極體釋放到電容器並供應 負載，輸出電壓由輸入電壓加上電感電壓而達到升壓之效果。 3.2.2 直流/交流電能轉換器 圖 3-4 所示為的直流⁄交流電能轉換器作為太陽能系統與電力系統併聯之介 面，由四顆功率開關橋接的全橋式換流器，加上輸入端穩壓電容與輸出端電感所 組成。它的主要功能是將輸入端直流電壓源經由功率開關的高頻切換轉換為交流 電源輸出。由於此再生能源電力轉換器的設計是將再生能源以交流電流的形式輸 出至市電網路，功率開關切換的目的在於控制電感上電流波形為一與市電電壓同 相之正弦波，使得輸出之功率因數接近一。 + -G1 G2 L2 G3 A C G4 Vd 圖 3-4 全橋式換流器之功率電路 3.2.3 界面信號調整電路 一般電流信號的檢取較為不易，以往電流信號的檢取方法是在輸出電壓上跨 接一個電阻來產生電流信號以便量測，但此種方法因電阻為被動元件，會消耗功 率，且也會有參考地點不同問題，所以並不實際。本論文仍採用霍爾 C.T 元件來 檢測電流信號，將市電電流信號輸入霍爾 C.T 元件，經內部的霍爾效應將電流信 號轉變為電壓信號，經 OP 放大器將信號放大補償，輸出至監測系統。由於霍爾 C.T 可能會產生 DC OFFSET 偏移問題，故必須加一直流準位來調整。此種電流 檢測方式可將市電和控制電路完全隔離，而不會有共地的問題，亦可降低功率消 耗，改善了傳統的電流檢取方式。

霍爾

C.T.

元件

放大器

(直流補償)

回授電流

3-5 電流信號擷取方塊圖

3.3 DSP-TMS320F2407

TMS320F2407是TI中所有24X系列中最新且功能最強，價格相當低廉，除 了具有強化的乘加運算可處理DSP運作外，實際上是與一般單晶片微控器雷同， 如圖3-6所示，其特性簡介如下[19]： 1、 TMS320F2407核心CPU (1) 32位元的算數邏輯ALU運算單元。 (2) 具有16*16位元的乘法器並可累加到累加器ACC內。 (3) 僅有一個32位元的ACC累積器。 (4) 8個16位元輔助暫存器AR0-AR7。 (5) 運作並同時處理左右移的乘除2次方運算。 2、 TMS320F2407的記憶體 (1) 544字元組的B0、B1、B2等16位元晶片內含雙讀取資料記憶DARAM。 (2) 內部具有32K16位元快閃(Flash)記憶體及2K*16的SARAM。 (3) 總計有218K字元定址記憶體空間，其中涵蓋64K程式記憶體，64K資料記 憶體空間和64KI/O定址空間。 (4) 外部記憶體空間的配置：具有可由軟體設定的等待狀態時序，以便同步 於外埠週邊連接，為16位元位址匯流排和16位元資料匯流排。 3、 程式執行控制 (1) 4層的管線運作(Pipeline Operation)。 (2) 固定的8個硬體堆疊器。 (3) 6個外部中斷，及電源保護中斷、重設、NMI及三個可遮罩的中斷。 4、 介面週邊電路 (1) 有16個比較器和PWM，設定組構成二組AC電力控制的三相向量空間 PWM，具有PWM的死帶設定控制。 (2) 有4個6種模態的一般用途計時器，包括連續上數、連續上下數、單一上 數、單一下數、方向式的上下計數等模式。 (3) 有6個計數捕抓器，有4個4象限編碼器計數介面埠。 5、 雙組10位元類比/數位轉換週邊電路ADC，具有16個多工ADC通道，ADC 轉換速度約為500nS。 6、 41個並列PPIO可規劃雙向、雙工的輸出入埠。 7、 串列同步介面SCI埠及SPI埠。 8、 具有機電控制區域網的CAN週邊電路。

9、 相鎖PLL的倍頻工作時脈。 10、 即時的中斷看門狗WDT計時器。 11、 具有JTAG介面作程式除錯及快閃程式記憶體的清洗及燒錄。 12、 單一指令重複運算、硬體區塊指令重複運作、位元反向定址作FFT的運算 應用。 13、 每一個指令週期為25ns、且大部分指令都是單一指令，僅需一個執行週 期。 14、 具有4種省電的工作模態。 15、 具有256*16的預載程式記憶體，可執行外部週邊的程式載入執行。 圖3-6 TMS320F2407的功能方塊圖[19]

圖3-7為DSP2407內部的程式與資料記憶體分配位址架構圖，在撰寫軟體之 前首先必須先瞭解DSP記憶體結構，才能確定程式與資料規劃於哪一個記憶體區 塊。每一個記憶體區塊所存取與寫入的時間不同，如程式可規劃於擴充的SRAM 中，也可燒入晶片中內部的Flash ROM，但程式放置內部Flash ROM的執行時間， 也會比放在外部擴充的SRAM速度快7~10倍以上。DSP2407中央處理單元採用最 佳化哈佛結構，通過二個獨立的資料匯流排與程式匯流排，指令支援在二個儲存 區之間的資料傳輸，以提高運算速度。 0(4K) (0000-003Fh) (0040-0043h) 0044h 1(12K) 2(12K) 3(12K) SARAM(2K) (PON=1) (PON=0) (CNF=1) (CNF=0) DARAM(B0)(CNF=1) (CNF=0) / DARAM B2 DARAM(B0)/(CNF=0) (CNF=1) SARAM(2K) (DON=1) (DON=0) ( ,WD,ADC,SCI,SPI,CAN ,I/O,Interrupts) 圖3-7 DSP2407程式與資料記憶體位址分佈圖[19] TMS320F2407晶片包含了內部DARAM、SARAM與可重覆燒錄Flash ROM， 下列將簡單的介紹這些記憶體特性。 ‹ 雙存取隨機記憶體(Dual-Access RAM)： DSP2407內部有一雙取隨機記憶體，這種RAM的優點就是允許一個機械週 期內可以做二次的存取動作。DARAM被分為三個區塊(B0、B1、B2)，並且主要 是規劃為資料記憶體當存放資料用，其中B0可以獨立規劃給程式記憶體儲存程 式用。

‹ 單存取隨機記憶體(Single-Access RAM)： DSP2407內部另外還有一個容量較大的單存取隨機記憶體，擁有2K words， 與雙存取記憶體最主要的差別為在每個機械週期內只能做一次記憶體存取的動 作，故存取速度較DARAM慢，此類記憶體可當成程式記憶體或資料記憶體。 ‹ Flash ROM程式記憶體： DSP2407內有一個容量大小為32K Flash ROM記憶體，總共分為四個區塊 (Sector 0~Sector 3，可以讓所開發出來的產品獨立運作，不用再透過PC做啟動。 在程式燒入Flash ROM的過程當中必須透過JTAG或經由串列溝通介面，在燒錄 之前必須先設定MP/MC腳位，此腳位最主要的功能為選擇程式燒入到DSP晶片 內部的Flash ROM，或者是選擇載入到外部所擴充的SRAM中，且燒錄過程中必 須要在Vccp 腳位提供5V電源。

3.4 數位訊號計算程式

數位訊號計算程式是以DSP為核心處理程式，程式流程如圖3-8所示。分為 系統初式化、資料取樣更新、計算監測值電力資料，SCI資料送出。

DSP

SCI

圖3-8 DSP主程式流程圖

程式一開始要做一些初始化的設定，用來開啟及設定DSP2407之功能。本論 文所需要設定到的包括ADC、Timer、SCI功能。接下來啟動中斷副程式，將訊 號經由ADC模組取得；訊號取完後，則離開中斷程式，進行電力資料的運算， 並將計算完的資料，由SCI串列通訊埠輸出。

3.5 DSP之類比/數位轉換ADC模組

TMS320F2407 晶片內的類比/數位轉換為雙 8 通道輸入的轉換模組，內建有 取樣及保持電路，如圖 3-9 所示。類比訊號經過多工器後再經過一取樣保持器， 將取樣訊號轉換換 10 位元之數位訊號，所得之數位訊號值第一筆被存入 RESULT0 暫存器內，第二筆存入 RESULT1 暫存器，依次類推，而同一個通道 也可以被多次取樣轉換，這對應傳統的單一取樣轉換結果值，則可以增加其解析 度。本論文在程式中斷 INT2 每隔 0.13ms 時間存取一次，總共一週期取樣為 128 點。DSP 取樣頻率為 7680Hz。 圖 3-9 ADC 轉換方塊配置圖[19]

3.5.1 ADC 轉換值的校準

在 ADC 的校準模式下，訊號連結到 ADC 轉換器的輸入端是由 BRG_ENA(橋 式致能)及 HI/LO(參考電壓 Verfhi/Vreflo 的選擇)等位元來選擇設定，這二個訊號 不管是連結到 Vreflo 或是 Vrefhi 或是輸入到 A/D 轉換的中點值，並進行一個單 一的轉換，因此這個校準模式可以被計算於零值(Vreflo)、中點值，或是 ADC 的 轉 換 滿 刻 度 抵 捕 (offset) 差 值 ， 這 個 2 補 數 的 抵 捕 差 值 將 被 自 動 載 入 CALIBRATION 暫存器內，從這個測點值，則 ADC 硬體將自動的對應轉換值加 入此抵捕差值來校準。 總結來說，此 CALIBRATION 暫存器在校準模態設定下，當結束校準值後 會予以存入，因此在一般模式的 ADC 轉換，此 CALIBRATION 暫存器內含校準 值，會在存入結果暫存器前，被自動的加入此抵捕差值來校準。 若加入抵捕校值時，10 位元 ADC 轉換時形成 1024 的位階的電壓準位，其 正確資料可經由下例公式計算而得； 3.5.2 ADC 轉換結果值的緩衝暫存器 對應 ADC10 位元轉換結果值的緩衝暫存，是依序由高位元 D15-D6 寫入的， 因此由此暫存器作讀取時，必須作左移 6 位元，或是右移 10 位元到累積器內才 好。16 通道的類比訊號轉換就需要 16 個 ADC 轉換結果值的緩衝暫存器，對應 於 RESULT0-RESULT15 暫存器各位元如下表 3-1 所示。 表 3-1 ADC 轉換結果值 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8

RESULT9 RESULT8 RESULT7 RESULT6 RESULT5 RESULT4 RESULT3 RESULT2

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RESULT1 RESULT0 0 0 0 0 0 0 OUT

V

= refLO refHI refLO IN

V

-V

V

-V

1023

×

refLO

V

：連結到 ADC 轉換器輸入端的低位參考電壓。 refHI

V

：連結到 ADC 轉換器輸入端的高位參考電壓。 OUT

V

：數位轉換資料。 IN

V

：輸入電壓。

3.6 DSP 串列通訊介面 SCI

TMS320F2407 晶片內的 SCI 轉換模組，是一個 8 位元的 SCI 串列通訊介面， 所有的暫存器跟一般的微控器一樣是 8 位元，規劃 SCI 支援非同步串列(UART) 於 F2407 這個 CPU 與其他使用標準 NRZ(non-return-zero 非則回歸零)格式的非同 步週邊間的數位通訊，這個 SCI 的接收及傳出都具有雙緩衝器，每一個都各有其 致能及中斷位元控制，在全多工模式中都可同時或獨立運作。 圖 3-10 SCI 電路結構方塊圖[19] 3.6.1 SCI 程式流程圖 SCI 傳輸程式流程圖如圖 3-11 所示。在 DSP2407 只有一組 SCI，在初始設 定上，時脈與傳輸速率，當 DSP 工作頻率為 40MHz 時，鮑率為 76~2500Kbps， 在此設定為 115200bps，選擇傳送封包大小，一般最大為 8bit 及一個停止位元。 要被傳輸的資料位元必需被寫入傳傳出資料緩衝(SCITXBUF)暫存器，判定 SCI 控制暫存器 2(SCICTL2)是否為 0x80，當”否”時，表示傳出暫存器內的資料 尚未轉載，而是滿的，則繼續等待傳完，一直到 SCICTL2 為 0x80 時，振示傳出 器內的資料已經轉載而備妥，可再載入新資料。

圖 3-11 SCI 程式流程圖 3.6.2 SCI 包德率計算 內部串列時脈產生是由裝置時脈頻率(CLKOUT)及包德率選擇暫存器的設 定來決定，對應於裝置時脈，SCI 使用一個 16 位元值的包德率選擇暫存器 (SCIHBAUD/SCILBAUD)，用以選擇 64K 種不同串列時脈率中的一種，這毎 SCI 包德率使用下列式子來計算： 8 1) (BRR CLKOUT SCI × + = 非同步包德率 式子轉換為 -1 8 SCI CLKOUT BRR × = 非同步包德率 其中 BRR 為暫存器 SCIHBAUD 及 SCIBAUD 連結成為一個 16 位元包德率值。

3.7 RS-232

RS-232是電腦或工作平台對外的通訊介面的一種，利用RS-232可以控制週 邊裝置，這些裝置不只是家用的設備，也包含了工業或商業常用的一些大型裝 置，在許多地方都可以看到支援RS-232的週邊裝置，原因是RS-232已經是非常 成熟的產品，如果這些週邊裝置有支援RS-232，相容性也就提高許多。RS-232 在業界的應用有自動化生產機台、控制及測量儀器、監控系統、信用卡刷卡機、 電信設備管理、電力監控系統...等，利用層面相當廣。 圖3-12 RS-232串列埠

RS-232有9 Pin及25 Pin二種，在此我們都是使用9 Pin，如圖3-12所示。各腳位功 能介紹如表3-2所示： 表3-2 RS232各腳位功能表 編號 名稱 全名 功能 1 DCD Received Line Signal Detector 載波偵測信號，由DCE傳至DTE。當DCD=0 表示收到DCE的載波信號。 2 RD Received Data 接收訊號，接收傳送進來的訊號。 3 TD Transmited Data 傳送訊號，傳送要傳送的訊號。 4 DTR Data Terminal Ready 資料訊號傳送準備終止。 5 GND Singal Ground 訊號用接地，可以用來比對訊號在傳送時 所相差的電壓峰值。

6 DSR Data Set Ready 資料已經準備好要開始傳送。 7 RTS Request To Send 要求傳送端將資料送出。 8 CTS Clear To Send 資料已經清除，開始傳送資料。 9 RI Ring Indicator 響鈴指示信號，由DCE傳給DTE。

而其中最主要的就是送出資料的TD及接收資料的RD和接地的Ground。 一般我們要在二台電腦或者是其他工作平台用RS-232來相互傳送資料時，和 一般的接頭方式很像，只是剛好一個是發送資料端，一個則是接收資料端，所以 在連接時，要將一些腳位跳線，就可以完成連接，如圖3-13 所示：。

PC 1 Connector

PC 2 Connector

圖3-13 RS232跳線圖 其實上面連接的重點就在於PC1的第2腳(TXD)要接到PC2的第3腳(RXD)，而 PC2的第2腳(TXD)要接到PC1的第3腳(RXD)，資料才能一個送一個接，然後地線 5再接起來即可，最少可以只花三條線來連接。 3.7.1 在Visual Basic下使用RS232收資料 在本論文利用Visual Basic(VB)內作為測試接收DSP訊號軟體，在VB有個內 建串列通訊控制項MSComm，如圖3-14所示，其元件可以直接控制電腦主機板上 的RS-232，而且使用相當簡單。MSComm可以不經由作業系統所設定的串列埠 屬性，可以直接利用MSComm所設定的屬性來控制串列通訊埠，例如下圖，當 我們不使用具有串列通訊屬性的方法來和通訊埠溝通時，會以作業系統的設定為 主，例如MS-DOS下和通訊埠溝通。但是如果用MSComm來和通訊埠溝通，則會 依MSComm的屬性設定為主，而作業系統的設定則會變成無效[20]。 圖 3-14 MSComm 之串列元件

3.7.2 在 Linux 系統下使用 RS232 接收資料

存取和控制檔案和設備的函數就是所謂的系統呼叫(system calls)，這些都是 直接由 Linux 所提供，它們就是通往作業系統的介面。為了提供設備和磁碟檔案 的高階介面，Linux 都會提供一標準的函數，可以在程式中，引用這些函數，這 些標準的 I/O 函式庫會提供緩衝輸出(buffered output)，可以寫入不同大小的區 塊，讓函式庫函數為您排程，讓資料達成整個區塊時，再執行低階的系統呼叫， 減少執行系統呼叫的必需負擔，進而提高效能。圖 3-15 就是在 Linux 系統中， 顯示使用者、不同檔案函數、設備驅動程式、核心和硬體的關係。 圖 3-15 Linux 與硬體之關係[21] 在 Linux 底下提供一個特別的函數，將 RS-232 看成一個檔案，這個特別的 案/dev/tty 是一個假名(邏輯設備)，用來控制一個處理程序的終端機。當/dev/tty 可以被使用時，它允許一程式直接傳送迅息給使用者，而不要理會使用者使用哪 一個虛擬終端機或硬體終端機。同時，可以用它來將設備檔案開啓、讀取、寫入 和關閉，讓事情變得很容易，用來存取檔案驅動程式如圖 3-16 所示[21]。

open

>0

open

read

close

Start

圖 3-16 RS232 讀取資料程式流程圖 open 建立了一個檔案或設備的存取路徑，其要產生一個新的檔案描述子， 需要使用 open 系統呼叫，如果 open 執行成功，它會回傳新的檔案描述子，必定 為一個非負數的正整數，如果失敗，則會回傳-1；

read 是從(已經被開啓的)檔案或設備讀取資料。read 系統呼叫會從 open 所產 生的檔案描述子，去讀取資料，將資料存放在指定的緩衝區，如果 read 回覆 0， 代表它沒有讀取任何資料，或可能已經讀到檔案尾端，不然會回覆真正讀取到的 位元組數量。如果呼叫錯誤就會回覆-1。

close 是關閉檔案或設備。利用 close 來中止檔案描述子和檔案的關係，隨後 這個檔案的描述子就可以再重新利用，如果成功，它就會回傳 0，失敗就回傳-1。

3.8 DMA 2410 嵌入式開發板

本論文所使用的是長高科技公司 DMA-ARM9 2410 嵌入式系統開發設計平 台(如圖 3-17)，內部集成了微處理器和一些手持設備的常用週邊元件(如圖 3-18 所示)，特別適用於手持產品。當中三星的 S3C2410 微處理器是一個多用途的通 用晶片，它內部集成了微處理器和常用週邊元件，可用於各種領域。它是應用於 手持設備的低成本實現，提供了更高性價比。S3C2410 處理器，擁有 64M SDRAM 以及 16M 的 FLASH，為您的應用研發提供了足夠的空間。核心板和底板配合即 構成一個最小的完整應用系統。系統具有體積小、耗電低、處理能力強、等特點， 能夠裝載和運行嵌入式 Linux 作業系統。用戶可以在這個系統平臺上進行自主 軟體發展[22]。 圖 3-17 DMA 2410 嵌入式系統開發設計平台[22] ¾ 所需套件 • 一塊 DMA2410 開發板(包括核心板和設備板)。 • LCD 一塊，包含三星 3.5 寸 256K 色 TFT 加驅動電路。

• 一個 SuperJtag 除錯器，該除錯器可用來燒寫 DMA 2410 的 boot。

• 一條二母直連串列傳輸線。

• 一條 USB 線。

• 一條並列傳輸線。

圖 3-18 DMA 2410 處理器硬體圖[22] ¾ 硬體規格

• S3C2410：16-/32-bitARM920T 核心

• 系統時脈：使用外部 12MHz 晶體，由 CPU 內部 PLL 倍頻至 20MHz。

• BOOT ROM(NOR FLASH)：2M。

• NANA FLASH：32M。 • SDRAM：64Mbyte • 2 個串列埠 UART。 • 2 個 USB Host 介面 • SD 卡/MMC 卡介面。 • Embedded-ICE Debug 介面。 • RTC 即時時鐘。 • IIC 匯流排介面。 • ADC 轉換介面 • SPI 介面。 • PS2 介面。 • IIS 數位音效輸入/輸出介面/麥克風電路。 • EINT 外部中斷介面。 • IrDA 紅外線收發器。 • CS8900,10M 乙太網路介面 • 發光二極體指示燈 • 16 個按鍵。