基于光伏系統(tǒng)的顯控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

楊燕，袁紹民，張立強(qiáng)，田凱，李艷平（.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300399；.北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京000）

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基于光伏系統(tǒng)的顯控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

楊燕1，袁紹民1，張立強(qiáng)1，田凱1，李艷平2
（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300399；2.北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100101）

摘要：論述了基于光伏系統(tǒng)的具有模擬、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示和設(shè)置及監(jiān)控等功能的顯控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用。此顯控系統(tǒng)主要采用了嵌入式ARM芯片及觸摸屏相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的。首先生成觸摸屏觸控配置文件，實(shí)現(xiàn)最基本的觸摸功能；再完成ARM編程，實(shí)現(xiàn)ARM芯片對(duì)觸摸屏的實(shí)際操作控制。此顯控系統(tǒng)已應(yīng)用于天津電氣科學(xué)研究院有限公司的200 kW，500 kW等系列光伏逆變器產(chǎn)品中，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：ARM編程；觸摸屏；顯示監(jiān)控系統(tǒng)；PV光伏系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，能源需求量日益增加，傳統(tǒng)化石能源卻在逐漸枯竭且污染嚴(yán)重，因此新能源的研究與應(yīng)用具有廣闊的前景［1-2］。光伏系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也越來越受到重視。光伏系統(tǒng)獲得的能源同四季、晝夜及陰晴氣象條件等隨機(jī)因素有關(guān)，因而在光伏系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過程中采用模擬、實(shí)時(shí)顯控系統(tǒng)尤為重要。系統(tǒng)采用嵌入式ARM芯片及觸摸屏相結(jié)合的方法，開發(fā)了基于光伏逆變器的數(shù)據(jù)采集、設(shè)定、狀態(tài)顯示及光伏曲線跟蹤、故障跟蹤等功能的顯控系統(tǒng)。

1　ARM開發(fā)板基本概述

ARM開發(fā)板，即以英國ARM公司的內(nèi)核芯片作為CPU，同時(shí)附加其他外圍功能的嵌入式開發(fā)板，用以評(píng)估內(nèi)核芯片的功能和研發(fā)各類科技企業(yè)的產(chǎn)品。

ARM的優(yōu)點(diǎn)：可嵌入式芯片，體積小、低功耗、低成本、高性能；帶DSP及JAVA支持；RISC指令集、支持ARM/THUMB；芯片型號(hào)多；支持的操作系統(tǒng)多、支持的開發(fā)工具多。ARM現(xiàn)在已經(jīng)成為嵌入式CPU的主流技術(shù)。系統(tǒng)中ARM采用的是STM32F103VET6芯片。

2　觸摸屏基本概述

觸摸屏，是通過觸摸式顯示器把人和機(jī)器連為一體的智能化界面。它是替代傳統(tǒng)控制按鈕和指示燈的智能化操作顯示終端，是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。

系統(tǒng)中液晶觸摸屏采用的是迪文DGUS屏。

3　顯控系統(tǒng)的主要功能

顯控系統(tǒng)主要有如下4個(gè)功能：1）參數(shù)設(shè)定；2）狀態(tài)信息顯示；3）曲線跟蹤；4）故障信息。

主界面圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)主界面圖Fig.1 Main interface diagram of system

3.1“參數(shù)設(shè)定”功能

“參數(shù)設(shè)定”的主要功能如下：1）查看系統(tǒng)主要參數(shù)及外設(shè)當(dāng)前設(shè)定信息；2）設(shè)置系統(tǒng)主要參數(shù)，如：最大輸出功率、最大功率點(diǎn)電壓等數(shù)值功能；3）設(shè)置主要外部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如：放電啟動(dòng)/停止、直流輸出啟動(dòng)/停止等設(shè)置功能。

3.2“狀態(tài)信息”顯示功能

“狀態(tài)信息”的主要功能如下：1）光伏電源的1路，2路，3路電流及總電流的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示；2）光伏電源的母線電壓、輸出電壓的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示；3）光伏電源的最大功率及最大功率點(diǎn)電壓的限幅設(shè)定顯示；4）光伏電源實(shí)際功率的顯示等光伏系統(tǒng)主要性能指標(biāo)狀態(tài)信息的顯示功能。

3.3“曲線跟蹤”繪制功能

“曲線跟蹤”的主要功能：根據(jù)現(xiàn)場采樣或3.1的參數(shù)設(shè)定獲取400個(gè)采樣點(diǎn)，繪制成U-P，U-I光伏模擬或?qū)崟r(shí)跟蹤曲線。

3.4“故障信息”顯示功能

“故障設(shè)定”的主要功能如下：1）故障列表顯示及報(bào)警功能。如：“母線電壓過壓、欠壓”、“1路，2路，3路電路過流”、“急?；蛉蹟嗥鞴收稀钡裙收闲畔顟B(tài)的顯示及報(bào)警功能，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障；2）發(fā)生的故障按發(fā)生時(shí)間順序列表顯示功能，便于事后查找原因、解決故障。

4　開發(fā)顯控系統(tǒng)

4.1硬件安裝

硬件安裝主要步驟如下：1）將仿真器（JTAG）分別與電腦及ARM板相連，ARM編程時(shí)使用；2）將ARM，DSP與觸摸屏相連；3）觸摸屏與電腦相連。連接完畢后可以用“串口調(diào)試助手程序”或“迪文開發(fā)軟件”進(jìn)行測(cè)試，直至顯示連接成功。

4.2軟件開發(fā)

顯控系統(tǒng)的軟件主要由觸摸屏的界面觸摸軟件設(shè)計(jì)部分和ARM板編程2部分組成。

4.2.1觸摸屏功能開發(fā)

觸摸屏功能開發(fā)具體步驟如下：1）利用圖形處理軟件，制作相關(guān)的觸摸屏所要用到的界面圖片；2）利用迪文調(diào)試助手，生成觸摸屏觸控配置文件，實(shí)現(xiàn)觸摸屏最基本的熱點(diǎn)的觸摸、鏈接功能［3-4］。

4.2.2ARM開發(fā)板編程

顯控系統(tǒng)采用ARM編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的實(shí)際操作控制。

ARM做為應(yīng)用處理器進(jìn)行多樣化的應(yīng)用開發(fā)和用戶界面接口，利用DSP進(jìn)行算法加速，特別是采樣數(shù)據(jù)、ARM數(shù)據(jù)、觸摸屏數(shù)據(jù)的編解碼算法加速，既能夠保持算法的靈活性，又能提供強(qiáng)大的處理能力。

系統(tǒng)在keil C51集成開發(fā)環(huán)境（IDE）平臺(tái)下，完成ARM開發(fā)板編程、編譯、連接、調(diào)試、仿真及下載至ARM板等整個(gè)開發(fā)流程。

4.2.2.1兩大模塊功能

程序基本上被簡化為兩大功能模塊：1）產(chǎn)品算法功能的實(shí)現(xiàn)，比如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式間轉(zhuǎn)換、外設(shè)控制等，借助DSP及ARM芯片來實(shí)現(xiàn)；2）人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)，借助迪文HMI及ARM程序代碼兩者相結(jié)合來完成。

顯控系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　顯控系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of display control system

4.2.2.2程序架構(gòu)

由于迪文DGUS屏只通過串口和用戶程序“溝通”，屬于相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，并且處理的是“隨機(jī)”的事件（和操作員打交道），而產(chǎn)品算法功能是屬于處理相對(duì)“固定”的事件，所以在程序設(shè)計(jì)上按照下面的架構(gòu)來安排，以提高開發(fā)效率并提高程序的穩(wěn)定性。1）采用前后臺(tái)的程序架構(gòu)，把應(yīng)用程序放在前臺(tái)，使用查詢、掃描的方式來處理；2）把和硬件直接打交道的程序，比如DSP，ARM，觸摸屏之間通信、A/D轉(zhuǎn)換等放在后臺(tái)，用中斷方式處理；3）前后臺(tái)程序通過存儲(chǔ)器（全局變量）來交換數(shù)據(jù)；4）前臺(tái)程序通過前臺(tái)觸控及后臺(tái)“消息”來觸發(fā)；5）合理規(guī)劃添加、執(zhí)行任務(wù)的順序，來協(xié)調(diào)不同應(yīng)用程序優(yōu)先級(jí)；6）所有的應(yīng)用程序按照功能來設(shè)計(jì)成獨(dú)立的子程序，并在前臺(tái)程序中處于并行的位置，避免出現(xiàn)交叉情形。

ARM程序流程圖如圖3所示。

圖3　ARM程序流程圖Fig.3 Flow chart of ARM programming

4.2.2.3功能實(shí)現(xiàn)方法

由于很多功能具備周期性要求，所以程序中采用了微型操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)周期為100 μs。底層函數(shù)和功能函數(shù)大部分以添加任務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)周期性調(diào)用。

例如：添加cpu_cal任務(wù)（cpu使用率計(jì)算函數(shù)）自定義函數(shù)hSCH_Add_Task（cpu_cal，2 000，10 000，1）；

其中：1）cpu_cal為要添加進(jìn)任務(wù)的函數(shù)名；2）“2 000”是首次執(zhí)行的等待時(shí)間。即在該函數(shù)添加進(jìn)任務(wù)隊(duì)列后等2 000個(gè)系統(tǒng)周期（200 ms）被首次執(zhí)行。若該參數(shù)為0則立即被執(zhí)行；3）“10 000”是該任務(wù)的執(zhí)行周期。cpu_cal函數(shù)的執(zhí)行周期為10 000個(gè)系統(tǒng)周期，即1 s；4）最后1個(gè)參數(shù)，若該參數(shù)為“0”，則不會(huì)周期執(zhí)行；若為“1”表示該函數(shù)的執(zhí)行不具備搶占性（程序所有任務(wù)都為非搶占性）

例如下述代碼

RE_DISABLE；

Delay（5000）；//軟件延時(shí)500 μs

bit_485_RT=1；

MODBUS_ReqRegist（regist_start_addr，regist_num* 2，READ_REGIST）；

clear_modbus_buffer（）；

可改為

RE_DISABLE；

hSCH_Add_Task（New_Del，5，0，1）；

其中New_Del（）為

{

bit_485_RT=1；

MODBUS_ReqRegist（regist_start_addr，regist_num* 2，READ_REGIST）；

clear_modbus_buffer（）；

}

即將要延時(shí)執(zhí)行的代碼封裝成函數(shù)，再用hSCH_Add_Task（）將該函數(shù)加入任務(wù)只執(zhí)行1次即可［5］。即大部分程序是“自已在后臺(tái)跑”，根據(jù)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)條件在不同狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。在Main.c中將要執(zhí)行的函數(shù)添加進(jìn)任務(wù)即可。

5　顯控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

此類顯控系統(tǒng)已應(yīng)用在天津電氣科學(xué)研究院有限公司的200 kW，500 kW等系列光伏逆變器產(chǎn)品中。圖4為顯控系統(tǒng)跟蹤到的電壓—電流（U—I）曲線、電壓—功率（U—P）曲線及系統(tǒng)的當(dāng)前電壓對(duì)應(yīng)的當(dāng)前電流、歷史上的最大最小電流。

圖4　顯控系統(tǒng)跟蹤的光伏曲線圖Fig.4 PV curves tracing by display control system

6　結(jié)論

顯示系統(tǒng)采用嵌入式ARM芯片及迪文DGUS屏相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的模擬、實(shí)時(shí)顯控功能。在光伏系統(tǒng)開發(fā)階段，開發(fā)人員可以不用到現(xiàn)場，只需利用此顯控系統(tǒng)便可模擬現(xiàn)場，完成開發(fā)工作初級(jí)階段，節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，提高了工作效率；此顯控系統(tǒng)，既是光伏開發(fā)人員調(diào)試系統(tǒng)的便利工具，也是用戶便利的操作、顯控、管理工具。實(shí)際應(yīng)用效果良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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［4］迪文科技有限公司產(chǎn)品部.迪文HMI用戶軟件開發(fā)指南3.0［Z］.北京：迪文科技有限公司，2011.

［5］孟慶洪，侯寶穩(wěn). ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與編程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

Development and Application on Display Control System for PV System

YANG Yan1，YUAN Shaomin1，ZHANG Liqiang1，TIAN Kai1，LI Yanping2
（1.Tianjin Research Institute of Electrical Science Co.，Ltd.，Tianjin 300399，China；2.School of Computer，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China）

Abstract:Discussed the development and application on display control system for PV system，which has lots of functions，such as analog display，system statement display & setup in real-time，monitoring functions and so on.The system was implemented by advanced RISC machines（ARM）combined with touch screen. The screen touch configuration file was generated to reach the basic touch functions first；then the ARM programming was completed to control the touch-screen actual actions. The display control system has been successfully applied to the PV inverter 200 kW，500kWseriesofproductsfortianjinresearchinstituteofelectricalscienceCo.，Ltd.，actualapplicationeffectsaregood.

Key words:advanced RISC machines programming；touch-screen；display control system；photovoltaic system

收稿日期：2015-09-08

作者簡介：楊燕（1972-），女，高級(jí)工程師，Email：yangyan@tried.com.cn

中圖分類號(hào)：TM615；TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B