嵌入式光伏电站监控系统的设计与实现

【摘要】：近些年,能源危机不断加重,严重制约着人类自身的发展。太阳能作为可再生、清洁的新型能源受到许多国家的重视,利用太阳能光伏发电并网已成为当前解决能源危机的重要途径。由于大多光伏电站建在偏远、环境较为恶劣的区域,而且地理位置分布分散,不利于对其管理、监测,对光伏产业的发展有很大阻碍。本文针对光伏电站的现状,应用计算机技术、网络通信技术,设计开发了一套基于嵌入式系统的太阳能光伏电站监控系统。该监控系统可实现对光伏电站的本地监控和网络远程监控功能,具有实时性好、功能全等优点,适合在实际工程中应用。 本文在光伏电站技术及其监控系统研究现状的基础上,阐述了监控系统的组成和功能。通过对当前主流监控技术的分析,根据实际项目需求,采用ARM9微处理器和Linyx嵌入式操作系统,对系统的软硬件进行了设计及测试与验证。 系统硬件设计中采用AT91RM9200作为监控系统的核心处理器,重点对各单元电路设计过程进行论述,包括AT91RM9200最小系统设计、A/D模数转换电路设计及以太网、CAN及RS485通信接口电路以及SD卡存储电路设计,并对环境参数采集设备进行了选型和接口电路设计。最终,给出包含CPU单元、A/D模数转换单元、通信单元和存储单元的光伏电站监控系统设计方案。 系统软件采用开源、稳定性能好的Linux操作系统作为软件开发设计平台,使处理器的性能得到充分发挥,使得装置通信、数据存储以及系统处理能力更强。本文重点对系统底层的U-Boot和系统内核的裁剪与移植进行分析、论述,对以太网等底层硬件驱动以及以上层应用软件以太网通信进行详细分析、设计。 最后,搭建了系统软硬件测试平台,对相关设计进行了测试验证,并依托上位机平台对系统进行模拟联调,达到了预期效果,验证了设计的可行性。此监控系统相比之前设备,趋于小型化、集成化和模块化,并且在功能上较以前有显著提升,同时预留了数据采样通道,为日后电站的扩充及系统集成和扩展提供了可能。 【关键词】：光伏电站 嵌入式 监控 ARM 以太网
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615;TP277
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 光伏电站监控系统研究现状及研究意义13-15
• 1.2.1 光伏电站监控系统研究现状13-14
• 1.2.2 光伏电站监控系统研究意义14-15
• 1.3 课题主要研究内容及结构安排15-17
• 1.3.1 论文主要研究内容15-16
• 1.3.2 论文结构安排16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 2 总体方案设计18-28
• 2.1 系统设计的目标与要求18-19
• 2.2 系统设计方案比较19-24
• 2.2.1 设计方案比较19-22
• 2.2.2 嵌入式系统特点22
• 2.2.3 AT91RM9200结构特点22-24
• 2.3 系统总体方案设计24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 3 硬件设计与实现28-54
• 3.1 硬件总体方案28
• 3.2 基于AT91RM9200微处理器的最小系统设计28-34
• 3.2.1 电源电路设计29
• 3.2.2 晶体振荡器电路设计29-30
• 3.2.3 复位电路设计30-31
• 3.2.4 存储器模块设计31-33
• 3.2.5 JTAG接口电路设计33-34
• 3.2.6 UART串行调试接口设计34
• 3.3 A/D模数转换单元电路设计34-42
• 3.3.1 电压、电流转换电路及调理电路设计35-38
• 3.3.2 A/D转换模块电路38-42
• 3.4 系统通信单元及存储电路设计42-49
• 3.4.1 以太网通信接口电路设计43-45
• 3.4.2 CAN通信接口电路设计45-46
• 3.4.3 RS485通信接口电路设计46-48
• 3.4.4 SD卡存储电路设计48-49
• 3.5 传感器电路设计49-52
• 3.5.1 温度传感器电路设计49-50
• 3.5.2 风速风向传感器电路设计50-51
• 3.5.3 辐照采集电路设计51-52
• 3.6 本章小结52-54
• 4 系统软件设计与实现54-74
• 4.1 系统软件总体设计方案54-55
• 4.2 系统开发环境搭建55-58
• 4.2.1 TFTP服务器平台的搭建55-57
• 4.2.2 交叉编译环境的搭建57-58
• 4.3 系统底层软件设计58-73
• 4.3.1 U-Boot的分析和移植58-63
• 4.3.2 内核裁剪与移植63-67
• 4.3.3 驱动程序的设计67-71
• 4.3.4 以太网通讯程序设计71-73
• 4.4 本章小结73-74
• 5 实验测试与验证74-86
• 5.1 测试环境搭建74-75
• 5.1.1 硬件测试环境搭建74-75
• 5.1.2 软件测试环境搭建75
• 5.2 软硬件试验验证75-83
• 5.2.1 系统硬件PCB与实物图75-77
• 5.2.2 U-Boot编译与测试77-78
• 5.2.3 内核实现测试78-79
• 5.2.4 驱动程序的实验测试79-82
• 5.2.5 上层应用程序的测试与验证82-83
• 5.3 系统联调测试83-85
• 5.4 本章小结85-86
• 6 总结与展望86-88
• 参考文献88-90
• 作者简历90-94
• 学位论文数据集94

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