基于光伏系统的显控系统的开发及应用

杨燕，袁绍民，张立强，田凯，李艳平（.天津电气科学研究院有限公司，天津300399；.北京信息科技大学计算机学院，北京000）



基于光伏系统的显控系统的开发及应用

杨燕1，袁绍民1，张立强1，田凯1，李艳平2
（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300399；2.北京信息科技大学计算机学院，北京100101）

摘要：论述了基于光伏系统的具有模拟、实时状态显示和设置及监控等功能的显控系统的开发及应用。此显控系统主要采用了嵌入式ARM芯片及触摸屏相结合的方法来实现的。首先生成触摸屏触控配置文件，实现最基本的触摸功能；再完成ARM编程，实现ARM芯片对触摸屏的实际操作控制。此显控系统已应用于天津电气科学研究院有限公司的200 kW，500 kW等系列光伏逆变器产品中，应用效果良好。

关键词：ARM编程；触摸屏；显示监控系统；PV光伏系统

随着现代经济的快速发展和社会的进步，能源需求量日益增加，传统化石能源却在逐渐枯竭且污染严重，因此新能源的研究与应用具有广阔的前景［1-2］。光伏系统的研究和应用也越来越受到重视。光伏系统获得的能源同四季、昼夜及阴晴气象条件等随机因素有关，因而在光伏系统开发及应用过程中采用模拟、实时显控系统尤为重要。系统采用嵌入式ARM芯片及触摸屏相结合的方法，开发了基于光伏逆变器的数据采集、设定、状态显示及光伏曲线跟踪、故障跟踪等功能的显控系统。

1　ARM开发板基本概述

ARM开发板，即以英国ARM公司的内核芯片作为CPU，同时附加其他外围功能的嵌入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各类科技企业的产品。

ARM的优点：可嵌入式芯片，体积小、低功耗、低成本、高性能；带DSP及JAVA支持；RISC指令集、支持ARM/THUMB；芯片型号多；支持的操作系统多、支持的开发工具多。ARM现在已经成为嵌入式CPU的主流技术。系统中ARM采用的是STM32F103VET6芯片。

2　触摸屏基本概述

触摸屏，是通过触摸式显示器把人和机器连为一体的智能化界面。它是替代传统控制按钮和指示灯的智能化操作显示终端，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

系统中液晶触摸屏采用的是迪文DGUS屏。

3　显控系统的主要功能

显控系统主要有如下4个功能：1）参数设定；2）状态信息显示；3）曲线跟踪；4）故障信息。

主界面图如图1所示。

图1　系统主界面图Fig.1 Main interface diagram of system

3.1“参数设定”功能

“参数设定”的主要功能如下：1）查看系统主要参数及外设当前设定信息；2）设置系统主要参数，如：最大输出功率、最大功率点电压等数值功能；3）设置主要外部设备的运行状态，如：放电启动/停止、直流输出启动/停止等设置功能。

3.2“状态信息”显示功能

“状态信息”的主要功能如下：1）光伏电源的1路，2路，3路电流及总电流的实时状态显示；2）光伏电源的母线电压、输出电压的实时状态显示；3）光伏电源的最大功率及最大功率点电压的限幅设定显示；4）光伏电源实际功率的显示等光伏系统主要性能指标状态信息的显示功能。

3.3“曲线跟踪”绘制功能

“曲线跟踪”的主要功能：根据现场采样或3.1的参数设定获取400个采样点，绘制成U-P，U-I光伏模拟或实时跟踪曲线。

3.4“故障信息”显示功能

“故障设定”的主要功能如下：1）故障列表显示及报警功能。如：“母线电压过压、欠压”、“1路，2路，3路电路过流”、“急停或熔断器故障”等故障信息状态的显示及报警功能，便于及时发现故障；2）发生的故障按发生时间顺序列表显示功能，便于事后查找原因、解决故障。

4　开发显控系统

4.1硬件安装

硬件安装主要步骤如下：1）将仿真器（JTAG）分别与电脑及ARM板相连，ARM编程时使用；2）将ARM，DSP与触摸屏相连；3）触摸屏与电脑相连。连接完毕后可以用“串口调试助手程序”或“迪文开发软件”进行测试，直至显示连接成功。

4.2软件开发

显控系统的软件主要由触摸屏的界面触摸软件设计部分和ARM板编程2部分组成。

4.2.1触摸屏功能开发

触摸屏功能开发具体步骤如下：1）利用图形处理软件，制作相关的触摸屏所要用到的界面图片；2）利用迪文调试助手，生成触摸屏触控配置文件，实现触摸屏最基本的热点的触摸、链接功能［3-4］。

4.2.2ARM开发板编程

显控系统采用ARM编程来实现对触摸屏的实际操作控制。

ARM做为应用处理器进行多样化的应用开发和用户界面接口，利用DSP进行算法加速，特别是采样数据、ARM数据、触摸屏数据的编解码算法加速，既能够保持算法的灵活性，又能提供强大的处理能力。

系统在keil C51集成开发环境（IDE）平台下，完成ARM开发板编程、编译、连接、调试、仿真及下载至ARM板等整个开发流程。

4.2.2.1两大模块功能

程序基本上被简化为两大功能模块：1）产品算法功能的实现，比如数据采集、数据格式间转换、外设控制等，借助DSP及ARM芯片来实现；2）人机交互的实现，借助迪文HMI及ARM程序代码两者相结合来完成。

显控系统组成框图如图2所示。

图2　显控系统组成框图Fig.2 Block diagram of display control system

4.2.2.2程序架构

由于迪文DGUS屏只通过串口和用户程序“沟通”，属于相对独立的系统，并且处理的是“随机”的事件（和操作员打交道），而产品算法功能是属于处理相对“固定”的事件，所以在程序设计上按照下面的架构来安排，以提高开发效率并提高程序的稳定性。1）采用前后台的程序架构，把应用程序放在前台，使用查询、扫描的方式来处理；2）把和硬件直接打交道的程序，比如DSP，ARM，触摸屏之间通信、A/D转换等放在后台，用中断方式处理；3）前后台程序通过存储器（全局变量）来交换数据；4）前台程序通过前台触控及后台“消息”来触发；5）合理规划添加、执行任务的顺序，来协调不同应用程序优先级；6）所有的应用程序按照功能来设计成独立的子程序，并在前台程序中处于并行的位置，避免出现交叉情形。

ARM程序流程图如图3所示。

图3　ARM程序流程图Fig.3 Flow chart of ARM programming

4.2.2.3功能实现方法

由于很多功能具备周期性要求，所以程序中采用了微型操作系统，操作系统周期为100 μs。底层函数和功能函数大部分以添加任务的形式实现周期性调用。

例如：添加cpu_cal任务（cpu使用率计算函数）自定义函数hSCH_Add_Task（cpu_cal，2 000，10 000，1）；

其中：1）cpu_cal为要添加进任务的函数名；2）“2 000”是首次执行的等待时间。即在该函数添加进任务队列后等2 000个系统周期（200 ms）被首次执行。若该参数为0则立即被执行；3）“10 000”是该任务的执行周期。cpu_cal函数的执行周期为10 000个系统周期，即1 s；4）最后1个参数，若该参数为“0”，则不会周期执行；若为“1”表示该函数的执行不具备抢占性（程序所有任务都为非抢占性）

例如下述代码

RE_DISABLE；

Delay（5000）；//软件延时500 μs

bit_485_RT=1；

MODBUS_ReqRegist（regist_start_addr，regist_num* 2，READ_REGIST）；

clear_modbus_buffer（）；

可改为

RE_DISABLE；

hSCH_Add_Task（New_Del，5，0，1）；

其中New_Del（）为

{

bit_485_RT=1；

MODBUS_ReqRegist（regist_start_addr，regist_num* 2，READ_REGIST）；

clear_modbus_buffer（）；

}

即将要延时执行的代码封装成函数，再用hSCH_Add_Task（）将该函数加入任务只执行1次即可［5］。即大部分程序是“自已在后台跑”，根据状态机跳转条件在不同状态跳转。在Main.c中将要执行的函数添加进任务即可。

5　显控系统实际应用

此类显控系统已应用在天津电气科学研究院有限公司的200 kW，500 kW等系列光伏逆变器产品中。图4为显控系统跟踪到的电压—电流（U—I）曲线、电压—功率（U—P）曲线及系统的当前电压对应的当前电流、历史上的最大最小电流。

图4　显控系统跟踪的光伏曲线图Fig.4 PV curves tracing by display control system

6　结论

显示系统采用嵌入式ARM芯片及迪文DGUS屏相结合的方法实现光伏系统的模拟、实时显控功能。在光伏系统开发阶段，开发人员可以不用到现场，只需利用此显控系统便可模拟现场，完成开发工作初级阶段，节省了时间，降低了成本，提高了工作效率；此显控系统，既是光伏开发人员调试系统的便利工具，也是用户便利的操作、显控、管理工具。实际应用效果良好，具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战［J］.电力系统自动化，2010，34（2）：10-14.

［2］Lasseter R. Smart Distribution：Coupled Microgrids［J］. Pro⁃ceedings of the IEEE，2011，99（6）：1074-1082.

［3］迪文科技有限公司.迪文HMI（串口智能显示终端）指令集Ver2.0［Z］.北京：迪文科技有限公司，2010.

［4］迪文科技有限公司产品部.迪文HMI用户软件开发指南3.0［Z］.北京：迪文科技有限公司，2011.

［5］孟庆洪，侯宝稳. ARM嵌入式系统开发与编程［M］.北京：清华大学出版社，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

作者简介：杨燕（1972-），女，高级工程师，Email：yangyan@tried.com.cn

中图分类号：TM615；TP277

文献标识码：B