CN106647474A - 一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，它包括，硬件抽象层、操作系统层和应用层，所述的硬件抽象层包括外设配置管理模块、外设驱动模块，硬件抽象层用于对微控制器外设进行配置编写接口程序，在微控制器底层硬件与应用层以及操作系统层之间起衔接作用。本申请所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，单个微控制器完成逆变器的整体控制任务；方便光伏逆变器项目开发平台移植，缩减开发周期；可降低开发成本以及后续维护成本。

Description

一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统

技术领域

本申请涉及一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统。

背景技术

一般地，将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，而实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，而实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。光伏逆变器是将太阳能面板产生的直流电能变换为交流电能的装置。

光伏逆变器的基本功能有：逆变控制、功率管理(MPPT等)、通讯接口、安规管理。具备光伏面板低压运行功能的逆变器还包含前级升压(Boost)控制功能，具备隔离功能的逆变器还包含隔离变压器等控制功能，非并网逆变器还包含电池管理等控制功能(也称之为储能型逆变器)。不同的需求对应不同类型的光伏逆变器，市场需求的变化也将衍生出各种不同类型的光伏逆变器。

目前市场上光伏逆变器的主控单元一般采用双微控制器(Micro Control Unit，简称MCU)的硬件结构，其中既有安规认证的原因又有芯片负荷能力的原因。采用双微控制器硬件结构的光伏逆变器主控单元成本较高，且微控制器间通讯存在延迟不利于信息交互；微控制器间通讯延迟也会导致双微控制器不能真正发挥各自处理能力，不能真正提升运算处理效率。

采样双微控制器硬件结构的主控单元，不利于更新升级程序，不利于后续的程序维护；且双微控制器结构也不利于后续功能升级项目开发的平台移植，形成开发成本高周期长的局面。

发明内容

本发明为提升微控制器处理效率，方便光伏逆变器项目开发平台移植，缩减开发周期，降低开发成本以及后续维护成本，提出一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统。

为解决以上技术问题，本申请采取如下技术方案：

一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，它包括，硬件抽象层、操作系统层和应用层，所述的硬件抽象层包括外设配置管理模块、外设驱动模块，硬件抽象层用于对微控制器外设进行配置编写接口程序，在微控制器底层硬件与应用层以及操作系统层之间起衔接作用。

优选地，所述的操作系统层包括各内核间数据交互处理模块、各内核操作系统；所述的应用层包括运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块、前后级控制算法模块、安规管理模块、MCU保护模块、输入信号管理模块、数据处理核、显示模块以及调试模块。

优选地，所述的外设配置管理模块用于管理微控制器的外设从属关系配置以及CLA的配置，将外设依据需求分配给指定的CPU与CLA、配置CLA运行设定、配置共享RAM分区。

优选地，所述的外设驱动模块包括外设的驱动配置以及应用接口程序。

优选地，所述的硬件抽象层还包括芯片内的系统时钟、系统驱动、GPIO。

优选地，所述的各内核操作系统包括核1、核2、CLA-核1与CLA-核2。

优选地，运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块、安规管理模块、MCU保护模块、输出信号管理模块、显示模块以及调试模块均在核1中运行，前后级控制算法模块在核2中运行；输入信号管理模块的AD输入信号在核2中处理，GPIO输入信号在核1中处理。

优选地，所述的运行状态管理模块，用于光伏逆变器状态机管理；所述的通讯接口模块，用于逆变器对外通讯接口；所述的功率管理模块，用于逆变器功率管理；所述的安规管理模块，用于管理逆变器安规保护；所述的MCU保护模块，用于逆变器的自我保护功能；所述的输出信号管理模块，用于执行逆变输出动作；所述的显示模块，用于人机交互界面LCD信息显示；所述的调试模块，用于对接测试工具，对外传递内部有效信息；所述的前后级控制算法模块，用于Boost控制算法、逆变控制算法、PLL算法、输出优化控制算法；所述的输入信号管理模块，用于处理输入信号；所述的数据处理核，用于AD采样转换后的数据处理。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本申请所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，单个微控制器完成逆变器的整体控制任务；方便光伏逆变器项目开发平台移植，缩减开发周期；可降低开发成本以及后续维护成本。

附图说明

图1图1多核微控制器软件架构逻辑图

图2为本申请的实施例软件架构逻辑分层图；

图3为本申请的实施例内核间数据交互图；

图4为本申请的实施例的内核间共享数据区交互图；

图5为实施例的内核间共享数据区交互读写过程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明为提升微控制器处理效率，方便光伏逆变器项目开发平台移植，缩减开发周期，降低开发成本以及后续维护成本，提出一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构。

本发明提供一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构，以多核微控制器为硬件基础设计软件架构，其包含硬件抽象层(Hardware abstraction layer)、操作系统层(OSlayer)以及应用层(Application layer)。

参见图1，硬件抽象层包含外设配置管理模块、外设驱动模块以及芯片内其他驱动(系统时钟、系统驱动、GPIO等配置)模块，操作系统层包含各内核间数据交互处理模块以及各内核操作系统，应用层包含运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块(MPPT等)、前后级控制算法模块(Boost Control、INV Control等)、安规管理模块、MCU保护模块、输入信号管理模块、数据处理核、显示模块以及调试模块。

参见附图2，一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构，以微控制器作为硬件基础，包括硬件抽象层(Hardware abstraction layer)、操作系统层(OS layer)以及应用层(Application layer)。所述的微控制器支持新型双核C28x(32位CPU，主频200MHz)架构，包含2个可独立运行的可编程控制律加速器(CLA，主频200MHz)。微控制器外设资源丰富，数据处理能力强大，多达4个模数转换器(ADC)，通讯接口全面，适合进行高性能光伏逆变器开发。

硬件抽象层包含外设配置管理模块、外设驱动模块以及芯片内其他驱动(系统时钟、系统驱动、GPIO等配置)模块，其对微控制器外设进行配置编写相应的接口程序，在微控制器底层硬件与应用层以及操作系统层之间起衔接作用。其中，外设配置管理模块负责管理微控制器的外设从属关系配置以及CLA的配置，比如将外设依据需求分配给指定的CPU与CLA、配置CLA运行设定、配置共享RAM分区等等；外设驱动模块包含各功能外设的驱动配置以及应用接口程序，比如串口外设驱动配置、CAN外设驱动配置、SPI外设配置、ADC驱动配置、EPWM驱动配置、eCAP驱动配置、CMPSS驱动配置等等；芯片内其他驱动模块包含直接与MCU相关的底层配置，比如SYS Clock配置、SYS Driver配置、Timer配置、GPIO配置等等。操作系统层包含各内核间数据交互处理模块以及各内核操作系统，实施例中的微控制器包含2个C28x核(记作核1与核2)以及2个独立的CLA(记作CLA-核1与CLA-核2)，因此各内核操作系统可设定核1中使用实时操作系统(RTOS)，核2使用前后台系统(Super-loop OS)，CLA-核1与CLA-核2依据微控制器的应用手册配置任务执行顺序。对于内核操作系统所需的系统节拍时钟以及中断，可自由选取各内核的定时器资源进行配置。

参见图3，各内核间数据交互处理模块负责处理各内核之间的数据交互，主要方法包含直接存储器存取(DMA)控制器读取(微控制器自带)、IPC功能(InterprocessorCommunication Module，微控制器自带)、共享数据区交互功能。

参见图4与图5，共享数据区交互功能。实施例中采用的微控制器的共享RAM需要指定其从属关系，共享RAM从属内核可对其进行读写操作，而另一内核只能进行读操作。故实施例中共享数据区交互过程如下：

1)在共享RAM中设定2个专用数据交互区，记作交互区A和交互区B。核1可对交互区A进行读写操作，核2可对交互区B进行读写操作。

2)每个交互区由写标记区以及数据区组成。

3)写与读设定在不同的任务或者中断之中，在时间上断开关联性。

4)读之前需要判断写标记是否完成(0xAA表示写完成，0x55表示正在写)。

应用层包含运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块(MPPT等)、前后级控制算法模块(Boost Control、INV Control等)、安规管理模块、MCU保护模块、输入信号管理模块、输出信号管理模块、数据处理核、显示模块以及调试模块。

在本发明实施例中，运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块、安规管理模块、MCU保护模块、输出信号管理模块、显示模块以及调试模块均在核1中运行，前后级控制算法模块在核2中运行；输入信号管理模块的AD输入信号在核2中处理，而其他GPIO输入信号在核1中处理，数据处理核涉及到核1、CLA-核1与CLA-核2的协同工作。

运行状态管理模块，负责光伏逆变器状态机管理，涉及到如下状态：等待、自检、运行以及错误。

通讯接口模块，负责逆变器对外通讯接口，比如外接RAM接口、外接ROM接口、CAN通讯接口、RS485通讯接口、程序在线更新接口等。

功率管理模块，负责逆变器功率管理，比如MPPT、降载控制等。

安规管理模块，负责管理逆变器安规保护，涉及各国安规标准的执行。

MCU保护模块，负责逆变器的自我保护功能，比如硬件参数检测保护、微控制器的自检等，可参照的执行标准例如UL1998软件安规标准。

输出信号管理模块，负责执行逆变输出动作，比如切开对外连接的relay等。

显示模块，负责人机交互界面LCD信息显示。

调试模块，负责对接测试工具，对外传递内部有效信息。

前后级控制算法模块，负责Boost控制算法、逆变控制算法、PLL算法、输出优化控制算法等。

输入信号管理模块，负责处理输入信号，包含AD输入、市电过零点输入、其他外部信号输入等。

数据处理核，负责AD采样转换后的数据处理，以满足各功能各任务的需要。

申请所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，单个微控制器完成逆变器的整体控制任务；方便光伏逆变器项目开发平台移植，缩减开发周期；可降低开发成本以及后续维护成本。

以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：它包括，硬件抽象层、操作系统层和应用层，所述的硬件抽象层包括外设配置管理模块、外设驱动模块，

硬件抽象层用于对微控制器外设进行配置编写接口程序，在微控制器底层硬件与应用层以及操作系统层之间起衔接作用。

2.根据权利要求1所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：

所述的操作系统层包括各内核间数据交互处理模块、各内核操作系统；

所述的应用层包括运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块、前后级控制算法模块、安规管理模块、MCU保护模块、输入信号管理模块、数据处理核、显示模块以及调试模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：

所述的外设配置管理模块用于管理微控制器的外设从属关系配置以及CLA的配置，将外设依据需求分配给指定的CPU与CLA、配置CLA运行设定、配置共享RAM分区。

4.根据权利要求3所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：

所述的外设驱动模块包括外设的驱动配置以及应用接口程序。

5.根据权利要求4所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：所述的硬件抽象层还包括芯片内的系统时钟、系统驱动、GPIO。

6.根据权利要求5所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：所述的各内核操作系统包括核1、核2、CLA-核1与CLA-核2。

7.根据权利要求6所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：运行状态管理模块、通讯接口模块、功率管理模块、安规管理模块、MCU保护模块、输出信号管理模块、显示模块以及调试模块均在核1中运行，前后级控制算法模块在核2中运行；输入信号管理模块的AD输入信号在核2中处理，GPIO输入信号在核1中处理。

8.根据权利要求7所述的一种基于多核微控制器的光伏逆变器软件架构系统，其特征在于：所述的运行状态管理模块，用于光伏逆变器状态机管理；所述的通讯接口模块，用于逆变器对外通讯接口；所述的功率管理模块，用于逆变器功率管理；所述的安规管理模块，用于管理逆变器安规保护；所述的MCU保护模块，用于逆变器的自我保护功能；所述的输出信号管理模块，用于执行逆变输出动作；所述的显示模块，用于人机交互界面LCD信息显示；所述的调试模块，用于对接测试工具，对外传递内部有效信息；所述的前后级控制算法模块，用于Boost控制算法、逆变控制算法、PLL算法、输出优化控制算法；所述的输入信号管理模块，用于处理输入信号；所述的数据处理核，用于AD采样转换后的数据处理。