一种光伏逆变器显示及设置功能的设计-solarbe文库

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自动化技术与应用２０１０年第２９卷第９期Techniques of Automation 2. Eastern steam turbine Limited company, Deyang 618000 China Abstract The photovoltaic inverter selects F2812 DSP to calculate and control. The SPI bus of DSP connect the differrentperipherals and three GPIO ports with the control keyboard, to make human-machine operation interface more simple andconvenient. In the aspect of software designi the photovoltaic inverter ’ s working parameters refresh 1 time/sec. Consid-ering the different peripheral units share the SPI bus in several TSK threads, the API function provides by DSP/BIOS toavoid the time conflict of SPI bus.Key word photovoltaic inverter; SPI; DSP/BIOS; TSK; display计更加简单，经济。考虑到不同外设部件在多个ＴＳＫ任务中使用ＳＰＩ总线的情况，在软件上利用ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中提供的ＡＰＩ函数，避免了ＳＰＩ总线使用时间的冲突。最后，给出了本方案在ⅹⅹ公司的光伏逆变器项目中的应用情况，证明了本方案的有效性。２硬件器件选择光伏逆变系统完成太阳能电池板产生的直流电流到电网所需交流电流的转换，在实现过程中，需要进行高速运算、多通道采样、产生调制ＰＷＭ波等功能。考虑到以上需求，选取ＤＳＰ主控芯片作为系统核心。ＴＩ公司（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）推出的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是一款高性能的３２位ＣＰＵ，它采用高性能的静态ＣＭＯＳ技术，主频达１５０ＭＨｚ，支持ＪＴＡＧ边界扫描接口［３］。在结构上，它采用哈佛总线结构设计，可快速实现１６１６自动化技术与应用２０１０年第２８卷第９期84 | Techniques of Automation Applications经验交流Technical Communications位和３２３２位的乘加操作，提供了光伏逆变系统所需要的高速运算需求。同时具备两个采样保持电路和５６个独立的可编程输入输出（ＧＰＩＯ）引脚，不仅可实现双通道信号同步采样，还提供了系统的控制功能。在参数和运行状态显示时，光伏逆变器显示的内容不超过３２个汉字。从功能和经济两方面考虑，设计中选用了ＦＹＤ１２８６４液晶显示模块。该模块具有４位／８位并行，２线或３线串行的多种接口方式，显示分辨率为１２８６４，内置８１９２个１６１６点汉字库和１２８点ＡＳＣＩＩ字符集［６］。利用该模块灵活的接口方式和简单的操作指令，可以构成全中文人机交互界面［２］。光伏逆变器设置功能中，需要设置本机ＩＤ、电表地址等内容，这些参数均需要存储起来，便于读写，因此，要求存储器在掉电时存储内容不丢失，同时具备在线写入的功能。设计中选用ＦＭ２５Ｌ０４芯片进行设置参数的存储。ＦＭ２５Ｌ０４是一种容量为４Ｋ位非易失性存储器，可以像ＲＡＭ一样快速读写；数据在掉电后可以保存４５年，相对ＥＥＰＲＯＭ或其他非易失性存储器，具有结构简单，系统可靠性高等诸多优点［７］。为了计算光伏逆变器的运行时间、平均功率等信息，需要使用日历时钟来提供时钟基准。项目中选用了ＮＸＰ公司的实时时钟芯片ＰＣＦ２１２９芯片，它可以提供项目所需要的年、月、日、星期、时、分和秒等信息［８］。３硬件电路设计在液晶显示模块、存储器模块、时钟芯片与ＤＳＰ控制器的连接上，采用ＳＰＩ总线进行连接。ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅ－ｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ）是一个高速的同步串行输入／输出端口，一般用于ＤＳＰ控制器与外部外设之间的数据传输。ＳＰＩ完成一次串行通信，需要两个控制器即主控制器和从控制器，主控制器发出ＳＰＩＣＬＫ信号来启动数据传输。对于主控制器和从控制器，数据都是在ＳＰＩＣＬＫ的一个边沿移出移位寄存器，在另一个边沿锁存到移位寄存器，实现了两个控制器之间同时发送和接收数据。在逆变器显示及设置功能设计中，ＳＰＩ工作在主工作模式［４］，Ｆ２８１２为主控制器，ＦＭ２５Ｌ０４存储器，ＦＹＤ１２８６４液晶模块，ＰＣＦ２１２９日历时钟为从控制器。光伏逆变器的设置功能中，需要用到键盘模块，使用ＤＳＰ的三个ＧＰＩＯ口，跟键盘模块连接，在默认状态下，键盘模块的三个ＧＰＩＯ引图１外设模块与 DSP 的连接示意图脚皆为高电平。如图１所示，ＳＰＩ总线包括ＳＰＩＣＬＯＣＫ、ＳＰＩＳＩＭＯ及ＳＰＩＳＯＭＩ三根数据线。其中ＳＰＩＣＬＫ为时钟信号，各个ＳＰＩ外设模块都需要此时钟基准。光伏逆变器在执行显示功能时，需要ＤＳＰ通过ＳＰＩＳＩＭＯ数据线写指令给液晶芯片，显示中一部分内容通过ＳＰＩＳＯＭＩ数据线从铁电存储器或日历时钟中读取。光伏逆变器在执行设置功能时，需要通过键盘模块对要设置的内容进行设置，设置完成后将要设置的内容保存在铁电存取器或日历时钟中，此时通过ＳＰＩＳＩＭＯ和ＳＰＩＳＯＭＩ数据线同时发送和接收数据。通过软件控制液晶模块、铁电存储器、日历时钟三个ＳＰＩ外设部件的选通引脚，使得在任意时刻最多只有一个ＳＰＩ外设器件选通。例如在使用液晶芯片（低电平有效）时，液晶芯片选通引脚置低电平，使液晶芯片选通，待数据传输完成后，选通引脚置高电平，使液晶芯片断开。这样就保证了ＳＰＩ总线上的数据能准确的传送到我们要使用的外设芯片上。４软件设计在对太阳能光伏逆变器的主控芯片ＤＳＰ的编程设计中，使用ＣＣＳ３．１或ＣＣＳ３．３版本进行软件编程。ＣＣＳ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ）是ＤＳＰ的集成开发平台，为用户提供了一个可视化的编程、调试工具，具有支持Ｃ或Ｃ＋＋语言的编译器和ＤＳＰ的汇编器。软件设计中，根据各个芯片的读写指令说明，读写时序图，硬件电路图，完成每个芯片的软件驱动设计，并将软件驱动程序写入ＤＳＰ初始化程序中。ＤＳＰ的初始化包括系统初始化、ＳＰＩ初始化、ＳＣＩ初始化、ＧＰＩＯ初始化等内容。其中，系统初始化设置包括初始化外设自动化技术与应用２０１０年第２９卷第９期Techniques of Automation Applications | 85时钟（ＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＣｌｏｃｋ），关看门狗（Ｗａｔｃｈｄｏｇ），初始化锁相环（ＰＬＬ）。ＳＰＩ初始化程序设置为主工作模式，上升沿输出数据，下降沿输入数据，字长度位８位，波特率为１．９７ＭＨｚ，使能ＳＰＩＦＩＦＯ操作。逆变器显示及设置功能的软件设计中，使用ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中提供的ＴＳＫ任务中断。通过ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中的硬件中断和软件中断来实现逆变控制系统的动作、采样、过零点捕捉，ＴＳＫ任务中断低于硬件中断和软件中断，保证了逆变器显示及设置过程中不会影响到逆变模块的正常运行。光伏逆变器显示的当前功率、电池板电压、电池板电流、电网电压、电网电流、电网频率、输出功率等系统参数由ＤＳＰ中ＡＤＣ采样来提供，是一个随采样频率而变化的变化值。显示变化值的时间４０（５ｍｓ＋２０ｍｓ）＝１０００ｍｓ，即变化值的刷新频率为１次／秒。根据ＦＹＤ１２８６４液晶模块、ＦＭ２５Ｌ０４存储器、ＰＣＦ２１２９日历时钟的Ｄａｔａｓｈｅｅｔ资料可知，各个外设在完成读写操作时，存在一定的硬件延时，按照图２设计的变化值刷新频率略小于１秒／次。光伏逆变器的设置功能是根据液晶芯片中光标闪烁点确定设置位置，通过键盘模块上的按键对逆变器进行设置。如图３所示，逆变器上的３个按键，从上到下依次设置为Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３，每个按键都具有复用功能。键盘模块的硬件设计中，３个ＧＰＩＯ引脚默认皆为高电平，二进制表示１１１，键值为７。按下Ｂ１后，二进制表示１１０，经验交流Technical Communications图２显示及设置功能流程图键值为６，此按钮功能设置为开机和关机。按下Ｂ２后，二进制表示１０１，键值为５，此按钮功能设置为显示翻屏和光标位置选择。按下Ｂ３后，二进制表示０１１，键值为３，此按钮功能设置为显示设置菜单和数字调节。光伏逆变器的默认显示界面为“系统参数”界面，按下Ｂ２键，来选择要查看的系统参数，按下Ｂ３键进入到“设置菜单”界面。在“设置菜单”界面下，按下Ｂ２键，选择“日期设置”菜单选项，按下Ｂ３键进入到“日期设置”界面图中。如图４所示，按下Ｂ２键，光标横向移动到下一个要设置的数字，按下Ｂ３键，可以对该光标下数字进行设置。在光伏逆变器跟电能表、上位机的通信设计中，使用ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中的ＴＳＫ任务进行软件设计。上位机对逆变器中的日历时钟芯片进行广播校时，对逆变器进行编号查询等任务，都需要使用ＤＳＰ的ＳＰＩ总线。这样就存在在不同ＴＳＫ任务下，同时使用ＳＰＩ总线的冲突。为了防止冲突的发生，我们在ＤＳＰ／ＢＩＯＳ的ＡＰＩ函数中配置ＳＰＩ锁。使用ＳＰＩ总线时，首先调用ＳＰＩ总线的取锁函数ＬＣＫ＿ｐｅｎｄ（＆ＳＰＩ，ｔｉｍｅ），进行ＳＰＩ总线的使用情况判断。如果ＳＰＩ总线处于空闲状态，ＴＳＫ任务调用取锁函数ＬＣＫ＿ｐｅｎｄ（＆ＳＰＩ，ｔｉｍｅ），将ＳＰＩ总线保护起来，待该ＴＳＫ任务使用完成后，调用ＡＰＩ函数中的ＬＣＫ＿ｐｏｓｔ（＆ＳＰＩ）函数，将ＳＰＩ取锁函数释放掉。如果ＳＰＩ总线正在图３系统参数界面图图４日期设置界面图自动化技术与应用２０１０年第２８卷第９期86 | Techniques of Automation Applications经验交流Technical Communications被其它ＴＳＫ任务函数所使用，利用取锁函数ＬＣＫ＿ｐｅｎｄ（＆ＳＰＩ，ｔｉｍｅ）中的ｔｉｍｅ值的取锁延时，如果使用ＳＰＩ总线的其他ＴＳＫ任务函数能够在ｔｉｍｅ值时间内将ＳＰＩ锁释放掉，则该ＴＳＫ任务函数可以取得ＳＰＩ总线的使用权，完成信息的传输。５显示及设置功能界面图按照上述方法设计的光伏逆变器显示及设置功能，经过在现场运行调试，可以实现操作方便，显示美观的要求。在系统参数界面图中，数字为变化值，由ＡＤＣ采样获取，变化值刷新频率设置为１次／秒，便于查询光伏逆变器当前的工作状况。在日期设置界面图中，数字为固定值，由日历时钟提供，如果对当前时间进行设置，设置的数字会立刻显示出来。逆变器设置功能中的日期设置，具有初始化日历时钟和校时功能。电表地址设置和本机ＩＤ设置，同样可以通过液晶模块显示后，利用键盘进行设置，设置的内容保存在ＦＭ２５Ｌ０４存储器中。由于ＦＭ２５Ｌ０４具有掉电保存功能，光伏逆变器重新启动后，系统设置的内容不会丢失，保证了逆变器的正常工作和上位机对各个逆变器的监控。６结束语该设计已应用于ⅹⅹ公司的光伏逆变器项目中，并经过测试，程序稳定。光伏逆变器的显示及设置功能中作者简介马强（１９８２－），男，在读研究生，研究方向兆瓦级光伏并网逆变器控制算法的研究。变化值刷新频率的设计，较以往液晶模块的全屏刷新的显示方式更加美观。ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中，显示及设置、上位机的通讯、发电量的计算等多个ＴＳＫ任务的运用，使ＤＳＰ在软件编程设计中的应用更加灵活、方便。参考文献［１］边孝成，杨志坚．基于ＡＲＭＤＳＰ构架的太阳能光伏智能并网逆变器［Ｄ］．山东大学，３６－３７．［２］廖丽莹，李啸骢，罗涛．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的液晶显示的设计［Ｊ］．微计算机信息，２００８，（２４）１９６－１９８．［３］张卫宁译．ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ系列ＤＳＰ的ＣＰＵ与外设（上）［Ｍ］．ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ系列ＤＳＰ的ＣＰＵ与外设（下）［Ｍ］．北京清华大学出版社，２００５，（１）１－４．［４］苏奎峰，吕强，耿庆峰等．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发［Ｍ］．北京电子工业出版社，２００５，（４）１２８－１２９．［５］王军宁等编译．ＴＩＤＳＰ／ＢＩＯＳ用户手册与驱动开发［Ｍ］．北京清华大学出版社，２００７，（４）９３－１０１．［６］ＦＹＤ１２８６４－０４０２ＢＤａｔａｓｈｅｅｔ［Ｚ］．成都市飞宇达实业有限公司．［７］ＦＭ２５Ｌ０４Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［Ｚ］．Ｒｅｖ．３．２－Ｓｅｐｔ．２００７，ＲａｍｔｒｏｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．［８］ＰＣＦ２１２９Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［Ｚ］．Ｒｅｖ．００．０１－２９Ａｕｇｕｓｔ２００８，ＮＸＰＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．作者简介刘小春（１９７３－），女，副教授，工程硕士，主要从事自动控制教学与研究。（上接第７６页）其中，５１２０＝ 5 640032000 - ，Ｉ０．０和Ｉ０．１是外部控制的启停信号，Ｍ０．１和Ｍ０．２是ＭＣＧＳ对应的启停控制信号。对温度信号进行检测和保护的程序编写方法如此类似。５结束语ＭＣＧＳ作为国产商品化通用工业自动化ＨＭＩ软件，与ＰＬＣ技术结合使用，对电动机的温度和电流进行监控，及时发现异常，防止电机损坏，具有积极意义。参考文献［１］李新胜等．基于ＭＣＧＳ和ＰＬＣ的监控系统在电机变频调速中的应用［Ｊ］．长春工业大学学报，２００８，（６）６８８－６９２．［２］安文举．ＭＣＧＳ组态软件在电机测控系统中的应用［Ｊ］．防爆电机，２００８，（２）２２－２４．［３］田由军等．基于ＭＣＧＳ的电动机性能测试系统研究［Ｊ］．机械与电子，２００６，（４）４０－４２．［４］袁秀英．组态控制技术［Ｍ］．电子工业出版社，２００３，８．