基于FPGA的多通道数据采集太阳能电池测试系统的研究

摘要

随着世界经济发展得愈加迅速，人类对于能源的需求量也将会变得越来越大。然而，传统能源将会开采枯竭，这必将会带来世界性的能源危机。新能源——尤其是太阳能的出现有效地缓解了能源危机。光伏产业的愈加成熟，让太阳能电池测试系统的需求也迅速增长。
　　本文设计了一款成本低、功耗低、体积小的室外太阳能电池测试系统，并将多通道数据采集系统与太阳能电池测试系统相结合，让系统具备更好的灵活性。采用了FPGA作为主控芯片，以电容作为负载，在对电容的充电过程中模拟太阳能电池的负载变化，最终在LCD屏上显示出太阳能电池的各种参数和伏安特性曲线。
　　系统主要包括硬件电路的设计和FPGA数字部分的设计。硬件电路的设计包括充放电电路设计，多通道数据采集电路设计，保护电路设计，FPGA配置电路设计。其中，多通道数据采集电路负责采集并调理电压、电流、温度、光照四路模拟信号，之后进行模数转换；FPGA数字部分包含通道选择模块、采样模块、存储模块、显示模块等，实现对多通道数据采集系统的控制及对采集到的数据进行处理和显示。
　　对某太阳能电池样本的测试结果和误差分析表明：本系统实现了对开路电压、短路电流、最大功率、功率因子、效率等主要参数的测量，有着较好的稳定性和准确性，实现了系统的功能需求。

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1 绪 论

1.1 能源现状和光伏产业发展现状

1.2 数据采集系统研究现状

1.3 太阳能电池测试系统现状

1.4 本课题的目的和研究内容

2 太阳能电池测试原理

2.1 太阳能电池基本原理

2.2 太阳能电池的性能参数

2.3 太阳能电池伏安特性曲线测试方法

2.4 测试数据的标准化

3 测试系统硬件电路设计

3.1 硬件电路总体设计框图

3.2 充放电主电路

3.3 多通道数据采集电路

3.4 过压过流保护电路

3.5 电源控制电路

3.6 FPGA及其外围电路

4 FPGA模块设计

4.1 FPGA整体设计

4.2 系统控制模块

4.3 系统复位模块

4.4 通道选择模块

4.5 A/D控制模块

4.6 电压、电流信号采样模块

4.7 温度、光照信号采样模块

4.8 存储模块

4.9 滤波模块

4.10 串口模块

4.11 显示模块

4.12 系统异常保护模块

4.13 亚稳态的消除

5 测试仿真与结果分析

5.1 部分模块仿真结果

5.2 系统功能测试

6 总结

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利