基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计

基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计

　2 处理器需求分析

　　控制器是系统的核心部分, 系统工作过程通过它进行管理和控制。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED 负载半功率控制等主要功能。而处理器又是控制器的核心。其负责根据程序指挥控制器中元器件实现控制器的上述功能。

　　在此设计的太阳能LED 照明控制系统供街道和住宅小区照明使用, 设计控制器中的处理器具有如下功能:

　　( 1) 支持5 V 直流系统工作电压;

　　( 2) 可提供输出接口, 控制状态指示灯或显示屏指示工作状态;

　　( 3) 可提供输入接口, 接受外部按键输入;

　　( 4) 可控制大功率MOS 管支持最大至9 A 的充放电电流;

　　( 5) 可提供直流、脉冲两种充电方式的控制;

　　( 6) 可精确计时以提供深夜使半导体照明灯具亮度减半的功能;

　　( 7) 可接收一路A/ D 转换器指示, 能检测蓄电池的电压, 对蓄电池的充、放电过程进行控制, 并当蓄电池电量不足时, 自动切换到市电电源供电;

　　( 8) 可接收另一路A/ D 转换器指示, 能检测太阳能电池的电压, 自动转换工作模式;

　　( 9) 可提供运算指令以计算各输入信号关系判断系统运行转态;

　　( 10) 可提供跳转指令以使控制器在各状态间切换;

　　( 11) 可暂存状态标志, 以供处理器智能判断状态;

　　( 12) 低功耗设计以提高控制器在系统中的工作效率;

　　根据以上需求给出处理器的设计目标: 采用精简指令集设计; 采用流水线设计以实现低功耗; 具有寄存器堆; 具有IO 接口; 具有PWM 功能模块; 具有定时器模块。

　　3 指令集设计

　　在本系统中, 处理器要对AD 以及按键的输入量进行处理。这些输入数据位宽小且处理过程为常规运算,不需要进行使用高级数学算法进行繁杂的数据运算。所以本设计采用精简指令集(RISC) 的设计方法。

　　精简指令集具如下特点为: 指令系统的规模较小且复杂程度小; 操作数预存在寄存器中; 指令格式统一; 避免不必要的存储器访问。

　　采用RISC 指令集设计可直接减小芯片面积, 节省成本, 减少开发人员的开发与维护开销。是嵌入式设备处理器的主流设计方法。

　　本处理器具有load/ store 结构, 也就是说与主存储器通信只能通过LOAD 和STORE 指令进行。运算操作数只与寄存器组有关, 而并不在主存储器上。TOP2的指令分为4 类: 运算指令、寄存器指令、跳转指令、存储器指令, 如表1 所示。

　　针对太阳能LED 照明控制系统的处理器指令集设计考虑到功耗及面积成本, 只包含6 条运算指令, 没有连续移位指令和硬件乘法器。经测试本指令集可满足上一节所述对处理器的功能需求。

　　作为RISC 体系的特点之一就是指令格式简单规则, 笔者遵循这一原则, 指令集中的11 条指令均为4 位操作码和12 位操作目标位 。