光伏并網逆變器人機界面設計

余峰 張志華 張鵬 梁星星

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430064）

1 引言

太陽能的大規模應用將是 21世紀人類社會發展進步的一個重要標志，而光伏并網發電系統是光伏系統的必然發展趨勢。為了對光伏并網逆變器的運行狀況和故障狀況進行控制、分析以及進行經濟評價，需要建立完善的數據采集及監控系統[1]。本文以現階段光伏發電監控技術為參考，提出并研制出了一種基于 ARM控制器的人機界面。詳細介紹了該人機界面的構成、工作原理和主要功能。

2 人機界面總體設計

人機界面應完成的功能是通過鍵盤和顯示屏進行操作，完成對光伏并網逆變器的工作參數的采集、顯示及各種控制命令的輸入。通過特定的通訊方式（包括總線、串口、并口、雙口 RAM等）傳送給逆變器以及遠程監控系統，并負責逆變器與遠程監控系統之間的數據和命令的傳遞。基于以上功能分析，該系統應包括控制部分、顯示部分、鍵盤輸入以及通訊部分。控制部分采用嵌入式系統，核心控制器選用微控制器（微型CPU），通訊部分因現場總線具有極高的可靠性，穩定性，實時性，且易于擴展，因此選用總線方式，但考慮到通用型，亦應支持串口通訊。原理框圖如圖1所示。

圖1 人機界面原理框圖

3 硬件電路設計

人機界面安裝在逆變器面板上。其硬件結構包括：ARM控制電路和5.7吋TFT觸摸式LCD顯示屏。

3.1 ARM控制電路

ARM 控制電路是人機界面的核心，主要由ARM 微處理器 LPC2129及其外圍電路、RS232接口電路、RS485總線接口電路和 CAN總線接口電路組成。ARM控制電路通過RS232串口通信實現與逆變器主控制器進行通訊，通過RS485總線或CAN總線實現和上位機的遠程通訊。

LPC2129是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并帶有 256k字節(kB)嵌入的高速 Flash 存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb 模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2129較小的 64腳封裝、極低的功耗、多個32 位定時器、4 路10 位ADC、2 路CAN以及多達9 個外部中斷使它特別適用于工業控制[2]。

3.2 RS-485接口電路

目前，RS-485接口電路的設計主要采用非隔離式和隔離式。由于該總線多用于現場比較復雜的場合，這些場合環境惡劣、干擾因素較多，如果不采用隔離電路，RS-485總線通信的可靠性與穩定性都得不到很好的保障，可能會導致通信數據收發錯誤；嚴重時會使整個系統的通信網絡崩潰[3]。為了避免總線通信對主控系統的影響，本系統采用隔離方式進行接口電路設計。用數字隔離器件ADum1301來實現控制電路與RS485總線的隔離。RS-485接口電路由兩個完全獨立的電源供電，一個是ARM微控制器的供電電源+3.3 V，另一個 RS-485總線部分的供電電源+5 V，兩路電源完全隔離，使用兩個隔離的 DC-DC模塊實現。具體電路如圖1所示。

圖1 RS485隔離電路

3.3 CAN總線收發電路

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN越來越受到人們的重視。CAN總線是一種最有前途的現場總線，在工業控制、汽車電子、安防等方面得到廣泛應用。設計CAN-bus通訊接口是很重要的一個環節，設備的正確運行與其密切相關。本文采用CTM1050模塊作為CAN收發電路。CTM1050模塊是集成電源隔離、電氣隔離、CAN總線保護于一體的隔離CAN收發器模塊，該模塊TXD、RXD引腳兼容+3.3 V、及+5 V的CAN控制器，不需要外接其他元器件，直接將+3.3 V或+5 V的CAN控制器發送、接收引腳與CTM模塊的發送、接收引腳相連接，就可以很好地實現CAN-bus總線上各節點電氣、電源之間完全隔離和獨立，提高了節點的穩定性和安全性。CAN接口電路圖2所示。

圖2 CAN接口電路

3.4 LCD顯示

液晶顯示LCD（Liquid Crystal Display）是一種常用的被動顯示方式。它不能發光，只能使用周圍環境的光，因此顯示圖案或字符只需很小能量，而且 LCD的抗電磁干擾能力比較強。一般LCD有三種顯示方式：

1） 反射型 LCD 的底偏光片后面加了一塊反射板，它一般在戶外和光線良好的辦公室使用。

2） 透射型LCD的底偏光片是透射偏光片，它需連續使用背光源，一般在光線差的環境使用。

3） 透反射型LCD是處于以上兩者之間，底偏光片能部分反光，一般也帶背光源，光線好的時候，可關掉背光源；光線差時，可點亮背光源使用LCD。

我們選用的是透反射型LCD，將背光電源設置成省電模式，當有人操作時點亮背光電源，以方便操作。當2分鐘內無人操作時，自動關閉背光電源，進入省電模式。

3.5 觸摸屏原理

觸摸屏的一般分為4大類：電阻式觸摸屏、表面聲波觸摸屏、紅外式觸摸屏和電容式觸摸屏。本文選用的是電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區域中觸摸點(X,Y)的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。電阻式觸摸屏是一種對外界完全隔離的工作環境，故不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來觸摸，比較適合工業控制領域及辦公室內有限人的使用。本裝置采用四線電阻式觸摸屏。

4 軟件設計

軟件需要實現的功能為：

1）與逆變器主控制器進行通訊，接收主控制器發送的逆變器實時工作參數，包括：工作狀態、交直流電壓、交直流電流、設備內部溫度，故障信息等。人機界面通過 RS-232接口和逆變器主控制器進行通訊，實時接收主控制器發來的工作參數，并進行處理。

2）對參數進行統計分析，計算設備功率、發電量、工作時間、CO2減排量等數據。對逆變器的故障信息進行處理。為實現無人值守工作模式，人機界面要能夠實時統計，逆變器的發電量、工作時間、CO2減排量等數據，并進行顯示和存儲。

3）與遠程監控系統進行通訊，將相關參數發送給遠程監控系統。人機界面與遠程監控系統的通訊可采用RS-485總線或CAN總線。其中，采用 RS-485總線的通訊方式為一主多從的通訊模式。發送信息均采用標準幀格式[4]。如表1所示。

表1 RS-485總線幀格式

啟動字符：數據幀的起始字節，代表一個新數據幀的開始，占用一個字節，定為：AAH。

地址號：為各下位機的地址信息，每個下位機對應唯一的一個地址號。各下位機的地址按順序依次為：00H～FFH。

幀長：除啟動字符外所有數據的長度。

命令字段：主要包括：數據請求信號(AFH)、數據發送正確信號（F0H）、數據發送錯誤信號(EEH)。

數據格式 ：10位，其中1位起始位，1位停止位，8位數據位；

結束字符：數據幀的結束字節，標志著本次通信結束。

5 結束語

本文詳細介紹了基于 ARM控制器的人機界面的硬件及軟件設計，該人機界面操作簡單。界面友好，已經成功地應用于某型光伏逆變器上。實現了光伏發電的無人化值守。隨著計算機監控技術和光伏發電技術的不斷發展，光伏電站的監控技術將逐步向集中化、網絡化發展。

[1]楊海柱, 金新民. 光伏并網逆變器監控系統設計.電氣時代, 2006(1).

[2]周立功. ARM微控制器基礎與實戰（第2版）. 北京：北京航空航天大學出版社,2005.

[3]潘群, 向軍, 王琳. RS-485串行通信接口電路的設計與應用. 常州工學院學報, 2009(6).

[4]楊旭雷, 張浩. 基于 RS-485總線的測控系統串行通信協議及其軟硬件實現. 電氣自動化, 2002(2).