李建國 ，陳永超，賴立海，劉建民

（1.上海電機學院 電氣學院，上海 200240；2.安陽師范學院 物理與電氣工程學院，安陽 455000；3.安陽高新區(qū)生產(chǎn)力促進中心，安陽 455002）

隨著能源危機的日益嚴峻，各種可再生能源得到了長足的發(fā)展。在諸多的可再生能源中，光伏發(fā)電在未來有著廣泛的應用前景[1]，光伏產(chǎn)業(yè)是最有潛力的新能源之一。進行光伏發(fā)電時，對光伏電站發(fā)電狀態(tài)的監(jiān)測是十分必要的。因為單塊光伏組件輸出的直流電壓較低，一般在幾十伏左右，所以通常采用多塊光伏組件相互串聯(lián)，然后各個組串相互并聯(lián)從而形成光伏陣列[2]。在發(fā)電過程中，光伏陣列的局部故障會導致整個供電系統(tǒng)輸出電壓或功率下降，直接影響系統(tǒng)性能和運行效率。為確保系統(tǒng)正常運行，應對光伏陣列進行狀態(tài)監(jiān)測，以便能及時地、有針對性地進行維護，從而提高光伏發(fā)電效率。據(jù)此，本文基于RS485通信和LabVIEW軟件平臺研發(fā)了一套光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可視化的監(jiān)測界面，可實時顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)，并可供用戶查詢歷史數(shù)據(jù)以便進行統(tǒng)計分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，PC機主要對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的溫度、光照強度等環(huán)境參數(shù)和輸出電流、輸出電壓、輸出功率等發(fā)電信息進行監(jiān)控、統(tǒng)計及顯示。單片機、A/D轉(zhuǎn)換和傳感器構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集器，傳感器將環(huán)境參數(shù)和發(fā)電信息采集過來，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變成數(shù)字信號發(fā)送至單片機，單片機將數(shù)據(jù)處理后緩存并發(fā)送。單片機與PC機之間采用RS485轉(zhuǎn)RS232通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。PC機將接受到的數(shù)據(jù)處理后保存并及時顯示，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)各類參數(shù)的實時監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle diagram

2 硬件電路設計

本系統(tǒng)硬件電路主要包括2方面：數(shù)據(jù)采集模塊和通信。數(shù)據(jù)采集部分將所需數(shù)據(jù)采集處理后，通過單片機發(fā)送至上位機；通信部分在硬件上主要是電平的轉(zhuǎn)換和與上位機通信時接口處理。

系統(tǒng)處理器采用STC公司生產(chǎn)的STC89C51芯片，該芯片具有8 K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，1個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，是一種低功耗、高性能微控制器[3]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要功能是采集電流、電壓、溫度、照度4類數(shù)據(jù)。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將傳感器采集回來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機進行數(shù)據(jù)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的ADC0809，它是8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個8位的逼近型的ADC部分，并提供1個8通道的模擬多路開關和聯(lián)合尋址邏輯，用它可直接將8個單端模擬信號輸入，分時進行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中只需要應用其中的4個通道，分別對有傳感器采集回來的電流、電壓、溫度、照度4個模擬信號進行轉(zhuǎn)換，然后由51單片機進行數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理，完成對模擬信號的采集。

由于ADC0809芯片內(nèi)部沒有時鐘脈沖源，可利用單片機89C51提供的地址鎖存控制輸入信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器四分頻后，作為ADC0809的時鐘輸入。當CPU訪問外部存儲器時，ALE的輸出作為外部鎖存地址的低字節(jié)的控制信號；當不訪問外部存儲器時，ALE端以1/6的時鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖，可取單片機的時鐘頻率為12 MHz，則ALE端輸出的頻率為2 MHz，再經(jīng)四分頻后為500 kHz，符合ADC0809對時鐘的要求。

如圖2所示，ADC0809內(nèi)部設有地址鎖存器，通道地址由P2口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連，通道基本地址為0000H～0007H。模擬量由ADC0809的IN0～IN7輸入，數(shù)字量由ADC0809的 DO～D7輸出并接到單片機 I／O口的 P0口，ADC0809 其他引腳如：START、OE、ALE、A、B、C 等直接接到單片機的P2口。最后ADC0809的結(jié)束信號端口直接接到單片機的P2.7口。

圖2 ADC0809與單片機的接口電路Fig.2 Interface circuit of ADC0809 with single chip microcomputer

2.2 通信部分

PC機串行口為標準的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m，無法適用于遠距離的監(jiān)測[4]。選用RS485串行接口標準可實現(xiàn)管理微機遠距離對下位機進行通信管理。串口通信采用RS485協(xié)議進行，其傳輸距離較長，適用于從光伏發(fā)電設備到監(jiān)控設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V 表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

采用RS485通信時，需要解決2個問題。STC89C51本身具有全雙工串行口，但進行RS485通信時需要電平轉(zhuǎn)換；PC機串行口為標準的RS232C接口，通信時需要將RS485接口的邏輯電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。RS485通信的電平轉(zhuǎn)換芯片有全雙工的和半雙工的，為了便于軟件開發(fā)，本次設計采用全雙工芯片MAX488。

如圖3所示，電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX488全雙工集成芯片，使用時將單片機的串行收發(fā)端接入RS488的發(fā)收端。為保持通信信號的穩(wěn)定，一般會在MAX488加上、下拉電阻。上拉電阻把不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，此電阻還起到限流的作用。同理，下拉電阻將不確定的信號嵌位在低電平。在實際工程應用中，由于存在反射信號和環(huán)境等各種干擾的影響，特別是在通訊波特率比較高的時候，在線路上加上、下拉偏置電阻是非常必要的。上、下拉電阻可提高總線的抗電磁干擾能力，管腳懸空容易受到外界的電磁干擾，同時長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上、下拉電阻就是電阻匹配，可有效地抑制反射波干擾。

圖3 RS485電平轉(zhuǎn)換電路Fig.3 RS485 level conversion circuit

RS485轉(zhuǎn)RS232接口電路主要包括了電源、RS232電平轉(zhuǎn)換、RS485電路3部分。本電路的RS232電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX232集成電路，RS485電路采用了MAX488集成電路。為使用方便，電源部分設計成無源方式，整個電路的供電直接從PC機的RS232接口中的DTR（4腳）和RTS（7腳）獲取。PC串口每根線可以提供大約9 mA的電流，因此2根線提供的電流足夠滿足這個電路的使用要求。使用本電路需注意PC程序必須使串口的DTR和RTS輸出高電平，經(jīng)過D3穩(wěn)壓后得到VCC，經(jīng)過實際測試，VCC電壓大約在4.7 V左右。其電路圖如圖4所示。

圖4 RS485轉(zhuǎn)RS232接口電路Fig.4 RS485 to RS232 interface circuit

3 軟件設計

3.1 單片機程序設計

下位機程序完成A/D轉(zhuǎn)換和通信收發(fā)的功能，串口接收采用中斷方式，為方便上位機識別數(shù)據(jù)以及減少錯誤率，發(fā)送時加上前后校驗碼。照度、溫度、電壓、電流4類數(shù)據(jù)分別采用不同的前后校驗碼。在主程序中，A/D轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)處理后并儲存，緊接著查看上位機發(fā)送回來的信息，將指定類型數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

3.2 上位機程序設計

上位機主要是完成3項任務：與下位機的通信；將下位機發(fā)送回來的數(shù)據(jù)進行處理及存儲；設計一個顯示界面，把數(shù)據(jù)變化情況以圖表形式顯示出來。

程序采用LabVIEW軟件平臺進行編寫，Lab-VIEW是當下最流行的圖形化編程開發(fā)軟件，利用它可以大量使用圖表、菜單、圖形等可視化工具，使系統(tǒng)具有豐富、靈活的畫面和圖表顯示功能[5]。

LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信[6]。VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口（API），它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨立的可方便調(diào)用的標準I/O底層函數(shù)。利用LabVIEW中的VISA函數(shù)，可實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信。通過LabVIEW平臺內(nèi)豐富的底層函數(shù)，可進行高速精確的數(shù)據(jù)處理。其設計分為前面板和后面板，前面板為可視化的用戶界面，而后面板就是支撐系統(tǒng)運行的程序，并且采用圖形化的編程，數(shù)據(jù)的傳輸通過各函數(shù)之間的連線實現(xiàn)。

在前面板設立5個波形圖表控件，分別用于顯示照度、溫度、電流、電壓、功率5類數(shù)據(jù)信息的實時變化情況，若干數(shù)值顯示控件用于顯示各數(shù)據(jù)的平均值及發(fā)電量總值。

后面板串口通信利用LabVIEW中的VISA配置串口函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)可完成對串口的配置及串口收發(fā)，VISA關閉函數(shù)用于關閉VISA資源名稱指定的串口會話句柄或事件對象。是一個串口接收和發(fā)送的子VI，上位機可以向單片機發(fā)送命令及接受單片機發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。

主程序采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，先利用子VI生成5個電子表格文件以保存當天的數(shù)據(jù)，然后在循環(huán)結(jié)構(gòu)下，調(diào)用串口收發(fā)子VI為每類數(shù)據(jù)分別發(fā)送獲取指令，讓下位機把相應數(shù)據(jù)發(fā)送過來。接收數(shù)據(jù)后，比對前后校驗碼，若有誤則重新發(fā)送，若正確則獲取數(shù)據(jù)碼進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包括將數(shù)據(jù)還原、存入相應表格文件以及送入波形圖表控件進行顯示。

此外，設計子VI從各電子表格文件中獲取儲存的累計數(shù)據(jù)，則可計算各類數(shù)據(jù)的平均值以及總發(fā)電量，便可得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電信息。在LabVIEW中可自行設立用戶菜單，程序運行時操作用戶菜單，可方便用戶設置串口參數(shù)及查看歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

經(jīng)系統(tǒng)實際運行測試，系統(tǒng)可穩(wěn)定地監(jiān)測到各類參數(shù)的變化情況。各類參數(shù)的平均值和總發(fā)電量通過儲存的累計數(shù)據(jù)得到，并通過控件顯示。整個系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的采集、處理、儲存、統(tǒng)計、顯示等功能，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測目的。將系統(tǒng)運用到光伏發(fā)電領域中，能夠供電站工作人員實時了解電站的環(huán)境情況及發(fā)電信息，還可對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。通過監(jiān)測界面能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)電站運行故障，以實現(xiàn)系統(tǒng)檢修及有針對性地進行維護，提高光伏運行效率。

[1] 張筱文，鄭建勇.光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電工電氣，2010（9）：12-16.

[2] 汪義旺，宋佳，張波，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的光伏組件監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2014，22（1）：36-38.

[3] 孫涵芳，徐愛卿.單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.

[4] 鄧素萍.串行通信RS232/RS485轉(zhuǎn)換器[J].國外電子元器件，2001（7）：62-63.

[5] 侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVlEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6] 王水魚，李寧，胡樹燕.基于Labview實現(xiàn)PC機與單片機的串行通信[J].中國新通信：技術版，2007，9（23）：11-15.