光伏并网通信管理机的设计与实现

【摘要】：近年来,随着计算机、通信、网络和嵌入式系统等技术的飞速发展,光伏并网监控系统所监控的现场设备在智能化和网络化水平上得到了进一步的提高。一方面,光伏电站现场设备厂家众多,虽然大多数厂家宣称采用Modbus通信规约,但是每个厂家根据自身的特点对Modbus通信规约做了不同的定义,因此电站设备通信规约的复杂多变带来了如何实现互操作和设备兼容的问题；另一方面,随着太阳能光伏电站规模性的投入建设和使用,现场设备的数量越来越多,设备数量不断增加需要更多的串口满足通信需求,因此,设计功能丰富、多路串口、多种规约、可靠性高、稳定性高的通信系统设备至关重要。 本论文基于光伏并网设备多样化和规模化的发展趋势,根据光伏电站通信需求,在实现可靠通信和通信兼容的前提下,设计并实现一种具有多路串口和规约转化功能的通信设备,即光伏并网通信管理机。通信管理机主要由CPU主板、通信板、电源板等组成,CPU主板(4层板)采用ARM+FPGA的构架和嵌入式Linux操作系统,通过多路串口实现对整个光伏并网系统的信息采集,经过规约转换后集中送往当地后台或远方调度主站,同时将后台或主站命令传递给各测控装置,实现当地或远程控制。该通信管理机具有多串口、规约转化等特点,能够实现对现场各种设备的数据接收、数据处理、规约转换等功能,更好的服务于光伏电站的运行。 论文在阅读了大量的国内外参考文献的基础上,从硬件和软件两个方面论述了光伏电站通信管理机的设计与实现。为了提高系统的可靠性、可扩展性和可移植性,软硬件均采用模块化设计。硬件重点阐述了总体设计和CPU主板、通信板等的原理图和PCB的设计与实现,同时为了配合CPU板工作,设计了485通信板和环境参数采集板：软件重点阐述了Linux下的规约转换的实现,以及通过FPGA编程实现ARM与FPGA的并行通信和多路串口。 论文完成了光伏并网通信管理机的设计与实现,硬件方面主要完成了CPU主板、通信板以及环境参数采集板的原理图以及PCB的设计,软件方面完成了Modbus/TCP规约转换模块、ARM与FPGA并行通信模块以及多路串口的实现程序,实现了多路串口和规约转化以及数据的采集、集中和传输,最后通过仿真和搭建测试平台进行测试,对通信管理机的功能进行验证,结果表明通信管理机软硬件运行状况良好,设计达到了预期的效果。 【关键词】：光伏并网 通信管理机 ARM FPGA 多路串口 规约转换 通信板
【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;TP368.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-16
• 1 绪论16-24
• 1.1 课题背景和研究的目的及意义16
• 1.2 国内外现状16-23
• 1.2.1 光伏并网监控系统现状17-18
• 1.2.2 目前光伏并网通信存在的主要问题18-19
• 1.2.3 规约转换研究现状19
• 1.2.4 串口扩展研究现状19-21
• 1.2.5 论文主要研究内容21-22
• 1.2.6 论文结构安排22-23
• 1.3 本章小结23-24
• 2 通信管理机整体方案设计24-30
• 2.1 通信管理机的功能与需求24-25
• 2.2 系统方案选择25-29
• 2.2.1 总体结构方案25-26
• 2.2.2 硬件系统方案26-27
• 2.2.3 软件系统方案27-28
• 2.2.4 通信方式和通信规约选择28-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 通信管理机硬件设计与实现30-60
• 3.1 硬件总体方案30
• 3.2 CPU主板设计30-50
• 3.2.1 ARM芯片选择31-33
• 3.2.2 FPGA芯片选择33-35
• 3.2.3 电源模块设计35-38
• 3.2.4 时钟和晶振模块设计38-39
• 3.2.5 复位模块设计39
• 3.2.6 以太网模块设计39-41
• 3.2.7 SDRAM模块设计41-43
• 3.2.8 FLASH模块设计43-45
• 3.2.9 RS232调试模块设计45-47
• 3.2.10 RS485模块设计47-49
• 3.2.11 AD_DA模块设计49-50
• 3.3 485通信板设计50-52
• 3.3.1 整体设计50
• 3.3.2 隔离电源模块设计50-52
• 3.3.3 RS485模块设计52
• 3.4 环境参数检测板设计52-53
• 3.5 PCB设计53-58
• 3.5.1 PCB布局布线53-57
• 3.5.2 电磁兼容性设计57-58
• 3.6 本章小结58-60
• 4 通信管理机软件设计与实现60-80
• 4.1 软件总体方案60
• 4.2 规约转换设计60-67
• 4.2.1 Modbus协议61-62
• 4.2.2 Modbus RTU的实现62-65
• 4.2.3 Modbus/TCP协议转化的实现65-67
• 4.3 FPGA程序设计67-70
• 4.3.1 硬件编程语言Verilog HDL语言67-68
• 4.3.2 开发环境QUARTUS Ⅱ 11.068-69
• 4.3.3 FPGA开发流程69-70
• 4.4 ARM与FPGA的交互70-73
• 4.5 FPGA实现多路串口73-79
• 4.5.1 数据缓冲模块73-75
• 4.5.2 顶层模块75
• 4.5.3 频率选择模块75-76
• 4.5.4 数据接收模块76-77
• 4.5.5 数据发送模块77-79
• 4.6 本章小结79-80
• 5 通信管理机功能验证80-92
• 5.1 FPGA仿真80-85
• 5.1.1 Testbench测试文件80-81
• 5.1.2 功能仿真81-82
• 5.1.3 ModelSim-Altera仿真82-85
• 5.2 PC机模拟调试85-89
• 5.3 CPU主板、485通信板和环境参数检测板联调89-91
• 5.4 本章小结91-92
• 6 总结与展望92-94
• 6.1 全文总结92
• 6.2 不足与展望92-94
• 参考文献94-98
• 作者简历98-102
• 学位论文数据集102

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