基于DSP和CCD的太阳角度偏差检测仪

　　0　引　言

　　研究设计1套太阳跟踪角度偏差检测仪对于有效解决太阳利用率低的问题有很大的现实意义[1]，而太阳角度偏差的检测则是该系统的基础[2]。本 文设计的太阳角度偏差检测仪是以增强设备实用性为目标，在保证一定精度和可靠性前提下，实现体积小、重量轻、功耗低等要求，采用了技术相对成熟的CCD图 像传感器和DM642处理芯片，来完成对太阳跟踪角度偏差的测量。

　　1　太阳跟踪角度偏差检测仪原理

　　太阳跟踪 角度偏 差检测仪的基本原理是类似于日晷[3]。根据光的直线传播，可以建立1个简单的模型，如图1所示。假设在1个全封闭圆柱体的上表面开1个小孔P，当有光线 从小孔进入时，可以在内部的底面XOY平面形成1个光斑，光斑的中心为N，在X坐标轴上的投影是Nx，在Y轴上的投影是Ny，假设小孔是位于1个正中心的 位置，那么根据几何关系，由光斑的位置可以计算出入射光线的方向：

　　x0是ONx的距离，y0是ONy的距离，h是小孔距成像平面的距离，α为入射光高度角，β为入射光方位角。

　　由于太阳距地球非常遥远，因此太阳光可以看成是平行光，在通过小孔后，在接收面上呈现的亮斑，实际上是由许许多多个小单元组成的，光斑中心并不 会恰好落在某个像素点上[4]，因此需要采取一种计算方法来确定太阳光斑的中心。参考物理学中求取非均匀密度物体质心的方法，可以初步拟定一种加权平均的 公式来确定光斑的亮度中心。公式如下：

　　式中：F代表着像素的亮度，x代表像素的横坐标，y代表像素的纵坐标。x0代表所求得光心的横坐标，y0代表所求得光心的纵坐标。

　　2　系统设计

　　2.1　系统整体框架

　　本系统主要由光学系统、CCD摄像机、电源模块、DSP及外围电路、LCD显示模块以及整个的铝盒组成，其示意图如图2所示。

　　2.2　系统硬件框架

　　系统的整体结构框图如图3所示。

　　太阳光经过小孔及光学系统后，在接收平面毛玻璃上有太阳光斑。通过CCD摄像机对此亮斑进行捕获，CCD摄像机随后把数据传入视频解码芯片 TVP5150中，TVP5150主要功能是将CCD摄像头采集输入的模拟数据视频数据进行A/D转换，把模拟视频转换成数字视频BT.656流格式传输 给DM642芯片。整个图像处理和数据的计算都由DM642来完成[5];SDRAM和FLASH提供数据和程序的存储空间，掉电后 不会 丢失程序;电源模 块给DM642提供5V电源，给CCD摄像机提供12V电源。DM642最终计算出的太阳角，通过I/O接口显示在液晶上。此外，再实验阶段，接入了 SAA7121H视频编码芯片，其作用和TVP5150作用正好相反，将DM642处理后的数字信号转化成模拟信号，并在监视器上显示经过处理后的图像。