|
引言 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統是將太陽(yáng)電池發(fā)出的直流電饋送給交流電網(wǎng)的DCAC逆變系統。傳統的光伏并網(wǎng)系統常常被設計成只有單個(gè)DSP的嵌入式系統，即在一塊電路板上，DSP除了要完成數字信號處理和逆變器控制的功能外，還要完成顯示、輸入等功能。由于并網(wǎng)逆變系統復雜，采用單個(gè)DSP的設計方案時(shí)，適時(shí)性往往難以達糾要求。為此，在原來(lái)設計的基礎上外加一塊單片機，構成艤核的主從式結構。DSP只負責逆變器的控制和信號的處理，而由單片機來(lái)完成剩余的功能。同時(shí)利用MODBUS協(xié)議來(lái)實(shí)現單片機和DSP問(wèn)的通信，單片機作為通信方的主機．DSP作為從機，主從雙方各自獨立的T作，僅在串口通信的時(shí)候才占用系統資源。采用這種設計方案，極大的節省了DSF的開(kāi)銷(xiāo)，保證了并網(wǎng)系統高效穩定的運行。 1 光伏并網(wǎng)系統的硬件結構 在項目中，使用的DSP足TI的TMS320F2812，而單片機為AVR系列的Mega64。光伏并網(wǎng)系統的硬件結構如圖1所示。在圖中，將由172812DSP控制的部分稱(chēng)為并網(wǎng)逆變模塊，而將由Mega64單片機控制的部分稱(chēng)為人機接口模塊，兩個(gè)模塊構成一個(gè)完整的光伏并網(wǎng)系統。通信接口電路負責連接F2812和Mega64的串行口。 
圖1光伏并網(wǎng)系統硬件結構 1．1并網(wǎng)逆變模塊硬件結構及原理 并網(wǎng)逆變模塊的功能足將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電。在項目中采用的并網(wǎng)逆變模塊硬件結構如圖2所示。
圖2并網(wǎng)逆變模塊硬件結構圖 太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電首先由高頻逆變器轉換為高頻脈動(dòng)電壓，通過(guò)高頻變壓器隔離升壓后，再經(jīng)整流、低頻逆變，轉換成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電送到電網(wǎng)中。整個(gè)模塊為DC一高頻AC—DC一工頻AC 三級功率變換電路，TMS320F2812為其主控芯片。采樣的太陽(yáng)能電池輸出電壓、電流送入F2812后，按照MPPT(太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤)的要求，產(chǎn)生出PWM信號，驅動(dòng)高頻逆變部分的功率管，以實(shí)現MPPT功能。工頻逆變部分采用電流內環(huán)、電壓外環(huán)的控制策略，采樣劍的電壓電流信號按照控制策略處理后，產(chǎn)生出PWM驅動(dòng)信號驅動(dòng)工頻逆變部分功率管，保證高壓側電壓穩定，同時(shí)保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓?jiǎn)?wèn)頻同相，并網(wǎng)的功率因素為1。 1．2人機接口模塊硬件結構及原理 人機接口模塊的功能是實(shí)現對并網(wǎng)系統的監控和設置，大致可概括為以下幾點(diǎn)： (1)能實(shí)現DSP和單片機的正確通信； (2)能實(shí)現對并網(wǎng)逆變系統運行參數的實(shí)時(shí)顯示，如太陽(yáng)電池當前輸出的直流電壓、系統當前發(fā)出的電量等等，同時(shí)還能對并網(wǎng)系統的一些系要參數進(jìn)行設置，如最高輸入電壓、最低輸出頻率等等。 (3)當并網(wǎng)系統運行出現故障時(shí)，能判別故障類(lèi)型，并能產(chǎn)生報警信號通知用戶(hù)。在故障末解決前，能停止并網(wǎng)逆變系統的工作； (4)能和PC機實(shí)現通信，將霞要參數傳遞給PC機用于存檔。 人機接口模塊的硬件結構如圖3所示。
圖3人機接口模塊硬件結構 整個(gè)接口模塊是以Mega64為核心的小型嵌入式系統。采用帶中文字庫的160*32液晶模塊作為整個(gè)系統的主顯示屏。其與Mega64采用并行總線(xiàn)的方式通信。時(shí)鐘芯片選用Dallas公司出品的DS1302，它采用三線(xiàn)接口和CPU進(jìn)行同步通信，控制簡(jiǎn)單易于實(shí)現。模塊與Pc機的通信有可選的RS232或RS485兩種方式，使用BL0505LS隔離電源模塊為該通信塊供電。 在硬件設計中，F2812和Mega64的通信接口電路是整個(gè)設計的關(guān)鍵之一。由于F2812是3.3V的CMOS電平，而Mega64是5V的TTL電平，兩者的串行口不能直接相連，中間必須進(jìn)行電平轉換。在本項目中，采用電阻分壓的方法來(lái)實(shí)現電平轉換，Mega64接收電路如圖4所示：
圖4 MEGA64串口接收電路 三極管T1及T2組成3.3V／5V電平轉換電路，通過(guò)R1與R2的分壓來(lái)保證輸入接口的電壓不超過(guò)3.3V，二極管D1防止電流反向。F2812發(fā)送高電平時(shí)，T1導通T2截止，保證Mega64接收高電平信號；F2812發(fā)送低電平時(shí)，T1截止T2導通，Mega64接收低電平信號。 2 MODBUS通信協(xié)議簡(jiǎn)介 MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統協(xié)議，該協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，允許一臺主機與多臺從機通信。若主機發(fā)送一個(gè)信息，則可從一臺從機設備返回一個(gè)響應，類(lèi)似，當一臺從機接受信息時(shí)，它就組織一個(gè)相應的響應信息，并返回至原發(fā)送信息的主機。在物理層，標準的MODBUS端口是使用一個(gè)RS232兼容的串行接口。在MODBUS協(xié)議中有兩種有效的數據傳送方式，即ASCII碼和RTU方式。無(wú)論哪種傳送方式，MODBUS信息都是以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點(diǎn)和結束點(diǎn)。 在本項目中，采用了RTU的傳送方式。RTU信息幀格式如下表所示：
每個(gè)信息幀的發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，即表格中的T1-T4。每一幀以地址字符為起始點(diǎn)，以CRC校驗碼為結束點(diǎn)，每個(gè)字符包括1位起始位，8位數據位，1位偶校驗位，1位停止位。整個(gè)信息幀必須連續發(fā)送，如果在發(fā)送幀信息期間，相鄰字符問(wèn)有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓，則認為幀錯誤，停止接收。最后一個(gè)傳輸字符結束后，至少要停頓3.5個(gè)字符的時(shí)間才能開(kāi)始下一個(gè)信息幀的傳遞。字符的時(shí)間與具體的通信波特率有關(guān)，如波特率設置為4800，則1．5個(gè)字符時(shí)間為：1/4800*11*1.5*1000=3.44ms。 3 MODBUS協(xié)議軟件實(shí)現 在并網(wǎng)逆變模塊和人機接口模塊的MODBUS通信中，Mega64作為主機，F2812作為從機。在通信中，主要使用了MODBUS協(xié)議的兩個(gè)公用功能碼：0x03讀多個(gè)保持寄存器，0x10預置多個(gè)寄存器。從上文可看出，在MODBUS通信中，信息幀的區分和同步完全依靠相鄰幀之問(wèn)的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現。要保證主從雙方通信的成功，必須對信息幀之間的間隔進(jìn)行準確判斷。 3．1 MODBUS協(xié)議主機程序設計 通信時(shí)，主機Mega64首先發(fā)送信息幀，如果從機響應正確則進(jìn)行數據處理同時(shí)發(fā)送下一幀信息。如果從機響應錯誤或在0．5秒內無(wú)響應，則主機重復發(fā)送上一幀信息，直到響應正確。在程序中，利用串口接收中斷和定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現信息幀的區分和闊步。設定Mega64的定時(shí)器T1每隔1個(gè)字符時(shí)間中斷一次。定時(shí)器中斷服務(wù)程序如下，其中eom_flag為通信標志，num_stop為信息幀結束標志，fail_flag為通信失敗標志Send_Data為字符發(fā)送函數，SendDataProc為發(fā)送信息幀預處理函數，RevDataProc為接收數據處理函數。在發(fā)送狀態(tài)下．每次定時(shí)器中斷時(shí)發(fā)送一個(gè)字符。保證相鄰字符的時(shí)間間隔小于1.5個(gè)字符，一幀信息發(fā)送結束后，復位發(fā)送標志并等待從機響應。在接收狀態(tài)下，每次串口接收中斷都將置位接收標志同時(shí)將信息幀結束標志清0。一幀信息接收完時(shí)，結束標志從0開(kāi)始累加，當結束標志增到4時(shí)，表明一幀信息結束．主機進(jìn)行接收數據處理。由于使用了同一通信標志來(lái)判斷主機是接收還是發(fā)送狀態(tài)，因此只能實(shí)現半雙工通信。 void TICISR(void) { unsigned char flag； CLl()； //禁止中斷嵌套 if(com_flag==SEND) //如果通信標志為發(fā)送，則發(fā)送數據SendData0； num_stop++； fail_flag++； if(num_stop>3) //判斷一幀信息是否結束 { num_stop=0： if(corn_flag==RECEIVE) //如果主機已接收數據 { flag=CrcCheck(revP)： //CRC校驗 if(flag) //如果接收正確，則進(jìn)行處理，否則重復發(fā)送上一指令 RevDataProc()； SendDataProc()； //下一次發(fā)送數據預處理 } } if(fail_flag>200) //如果在0.5秒內，從機無(wú)響應，則重復發(fā)送上一指令 SendDataProc()； SEl()； } 3．2 MODBUS協(xié)議從機程序設計 F2812作為通信方的從機，首先對接收列的信息幀進(jìn)行解釋。在網(wǎng)送應答報文給主機。其程序基本設計思想與主機類(lèi)似，仍利用定時(shí)器中斷和串口接收中斷來(lái)實(shí)現信息幀的區分和同步。但在從機中，定時(shí)器和串口接收中斷部必須允許中斷嵌套。即在通信過(guò)程中．若逆變部分發(fā)生了捕獲中斷、功牢保護中斷等，F2812應立即執行，否則會(huì )引起并網(wǎng)電流失真。若由此引起某一幀信息通信失敗，則需要主機重復發(fā)送該信息幀。 4 結論 本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于：將原來(lái)單核的光伏并網(wǎng)系統設計為雙核的主從式系統，保證了實(shí)時(shí)性：同時(shí)利用MODBUS協(xié)議來(lái)實(shí)現F2812DSP與單片機的通信．并且利用MODBUS協(xié)議中保留的擴展功能碼，用戶(hù)可以方便的實(shí)現特定的功能。而不需要自己去制定串口通信協(xié)議。兩個(gè)模塊可獨立研發(fā)，最后在聯(lián)機進(jìn)行通信調試．極大的節省了，研發(fā)時(shí)間。通過(guò)樣機實(shí)驗表明，此方案切實(shí)可行，整個(gè)樣機運行穩定。通信數據準確，適時(shí)性好。 作者：羅力，沈玉粱，何金偉，孫韻琳 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
