光伏并网逆变器人机界面设计

余峰 张志华 张鹏 梁星星

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所， 武汉 430064）

1 引言

太阳能的大规模应用将是 21世纪人类社会发展进步的一个重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的必然发展趋势。为了对光伏并网逆变器的运行状况和故障状况进行控制、分析以及进行经济评价，需要建立完善的数据采集及监控系统[1]。本文以现阶段光伏发电监控技术为参考，提出并研制出了一种基于 ARM控制器的人机界面。详细介绍了该人机界面的构成、工作原理和主要功能。

2 人机界面总体设计

人机界面应完成的功能是通过键盘和显示屏进行操作，完成对光伏并网逆变器的工作参数的采集、显示及各种控制命令的输入。通过特定的通讯方式（包括总线、串口、并口、双口 RAM等）传送给逆变器以及远程监控系统，并负责逆变器与远程监控系统之间的数据和命令的传递。基于以上功能分析，该系统应包括控制部分、显示部分、键盘输入以及通讯部分。控制部分采用嵌入式系统，核心控制器选用微控制器（微型CPU），通讯部分因现场总线具有极高的可靠性，稳定性，实时性，且易于扩展，因此选用总线方式，但考虑到通用型，亦应支持串口通讯。原理框图如图1所示。

图1 人机界面原理框图

3 硬件电路设计

人机界面安装在逆变器面板上。其硬件结构包括：ARM控制电路和5.7吋TFT触摸式LCD显示屏。

3.1 ARM控制电路

ARM 控制电路是人机界面的核心，主要由ARM 微处理器 LPC2129及其外围电路、RS232接口电路、RS485总线接口电路和 CAN总线接口电路组成。ARM控制电路通过RS232串口通信实现与逆变器主控制器进行通讯，通过RS485总线或CAN总线实现和上位机的远程通讯。

LPC2129是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并带有 256k字节(kB)嵌入的高速 Flash 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于LPC2129较小的 64脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、4 路10 位ADC、2 路CAN以及多达9 个外部中断使它特别适用于工业控制[2]。

3.2 RS-485接口电路

目前，RS-485接口电路的设计主要采用非隔离式和隔离式。由于该总线多用于现场比较复杂的场合，这些场合环境恶劣、干扰因素较多，如果不采用隔离电路，RS-485总线通信的可靠性与稳定性都得不到很好的保障，可能会导致通信数据收发错误；严重时会使整个系统的通信网络崩溃[3]。为了避免总线通信对主控系统的影响，本系统采用隔离方式进行接口电路设计。用数字隔离器件ADum1301来实现控制电路与RS485总线的隔离。RS-485接口电路由两个完全独立的电源供电，一个是ARM微控制器的供电电源+3.3 V，另一个 RS-485总线部分的供电电源+5 V，两路电源完全隔离，使用两个隔离的 DC-DC模块实现。具体电路如图1所示。

图1 RS485隔离电路

3.3 CAN总线收发电路

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。CAN总线是一种最有前途的现场总线，在工业控制、汽车电子、安防等方面得到广泛应用。设计CAN-bus通讯接口是很重要的一个环节，设备的正确运行与其密切相关。本文采用CTM1050模块作为CAN收发电路。CTM1050模块是集成电源隔离、电气隔离、CAN总线保护于一体的隔离CAN收发器模块，该模块TXD、RXD引脚兼容+3.3 V、及+5 V的CAN控制器，不需要外接其他元器件，直接将+3.3 V或+5 V的CAN控制器发送、接收引脚与CTM模块的发送、接收引脚相连接，就可以很好地实现CAN-bus总线上各节点电气、电源之间完全隔离和独立，提高了节点的稳定性和安全性。CAN接口电路图2所示。

图2 CAN接口电路

3.4 LCD显示

液晶显示LCD（Liquid Crystal Display）是一种常用的被动显示方式。它不能发光，只能使用周围环境的光，因此显示图案或字符只需很小能量，而且 LCD的抗电磁干扰能力比较强。一般LCD有三种显示方式：

1） 反射型 LCD 的底偏光片后面加了一块反射板，它一般在户外和光线良好的办公室使用。

2） 透射型LCD的底偏光片是透射偏光片，它需连续使用背光源，一般在光线差的环境使用。

3） 透反射型LCD是处于以上两者之间，底偏光片能部分反光，一般也带背光源，光线好的时候，可关掉背光源；光线差时，可点亮背光源使用LCD。

我们选用的是透反射型LCD，将背光电源设置成省电模式，当有人操作时点亮背光电源，以方便操作。当2分钟内无人操作时，自动关闭背光电源，进入省电模式。

3.5 触摸屏原理

触摸屏的一般分为4大类：电阻式触摸屏、表面声波触摸屏、红外式触摸屏和电容式触摸屏。本文选用的是电阻式触摸屏。电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。电阻式触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境，故不怕灰尘、水汽和油污，可以用任何物体来触摸，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。本装置采用四线电阻式触摸屏。

4 软件设计

软件需要实现的功能为：

1）与逆变器主控制器进行通讯，接收主控制器发送的逆变器实时工作参数，包括：工作状态、交直流电压、交直流电流、设备内部温度，故障信息等。人机界面通过 RS-232接口和逆变器主控制器进行通讯，实时接收主控制器发来的工作参数，并进行处理。

2）对参数进行统计分析，计算设备功率、发电量、工作时间、CO2减排量等数据。对逆变器的故障信息进行处理。为实现无人值守工作模式，人机界面要能够实时统计，逆变器的发电量、工作时间、CO2减排量等数据，并进行显示和存储。

3）与远程监控系统进行通讯，将相关参数发送给远程监控系统。人机界面与远程监控系统的通讯可采用RS-485总线或CAN总线。其中，采用 RS-485总线的通讯方式为一主多从的通讯模式。发送信息均采用标准帧格式[4]。如表1所示。

表1 RS-485总线帧格式

启动字符：数据帧的起始字节，代表一个新数据帧的开始，占用一个字节，定为：AAH。

地址号：为各下位机的地址信息，每个下位机对应唯一的一个地址号。各下位机的地址按顺序依次为：00H～FFH。

帧长：除启动字符外所有数据的长度。

命令字段：主要包括：数据请求信号(AFH)、数据发送正确信号（F0H）、数据发送错误信号(EEH)。

数据格式 ：10位，其中1位起始位，1位停止位，8位数据位；

结束字符：数据帧的结束字节，标志着本次通信结束。

5 结束语

本文详细介绍了基于 ARM控制器的人机界面的硬件及软件设计，该人机界面操作简单。界面友好，已经成功地应用于某型光伏逆变器上。实现了光伏发电的无人化值守。随着计算机监控技术和光伏发电技术的不断发展，光伏电站的监控技术将逐步向集中化、网络化发展。

[1]杨海柱, 金新民. 光伏并网逆变器监控系统设计.电气时代, 2006(1).

[2]周立功. ARM微控制器基础与实战（第2版）. 北京：北京航空航天大学出版社,2005.

[3]潘群, 向军, 王琳. RS-485串行通信接口电路的设计与应用. 常州工学院学报, 2009(6).

[4]杨旭雷, 张浩. 基于 RS-485总线的测控系统串行通信协议及其软硬件实现. 电气自动化, 2002(2).