一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統的制作方法

本申請涉及一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統。

背景技術：

一般地，將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，而實現整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，而實現逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。光伏逆變器是將太陽能面板產生的直流電能變換為交流電能的裝置。

光伏逆變器的基本功能有：逆變控制、功率管理(MPPT等)、通訊接口、安規管理。具備光伏面板低壓運行功能的逆變器還包含前級升壓(Boost)控制功能，具備隔離功能的逆變器還包含隔離變壓器等控制功能，非并網逆變器還包含電池管理等控制功能(也稱之為儲能型逆變器)。不同的需求對應不同類型的光伏逆變器，市場需求的變化也將衍生出各種不同類型的光伏逆變器。

目前市場上光伏逆變器的主控單元一般采用雙微控制器(Micro Control Unit，簡稱MCU)的硬件結構，其中既有安規認證的原因又有芯片負荷能力的原因。采用雙微控制器硬件結構的光伏逆變器主控單元成本較高，且微控制器間通訊存在延遲不利于信息交互；微控制器間通訊延遲也會導致雙微控制器不能真正發揮各自處理能力，不能真正提升運算處理效率。

采樣雙微控制器硬件結構的主控單元，不利于更新升級程序，不利于后續的程序維護；且雙微控制器結構也不利于后續功能升級項目開發的平臺移植，形成開發成本高周期長的局面。

技術實現要素：

本發明為提升微控制器處理效率，方便光伏逆變器項目開發平臺移植，縮減開發周期，降低開發成本以及后續維護成本，提出一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統。

為解決以上技術問題，本申請采取如下技術方案：

一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統，它包括，硬件抽象層、操作系統層和應用層，所述的硬件抽象層包括外設配置管理模塊、外設驅動模塊，硬件抽象層用于對微控制器外設進行配置編寫接口程序，在微控制器底層硬件與應用層以及操作系統層之間起銜接作用。

優選地，所述的操作系統層包括各內核間數據交互處理模塊、各內核操作系統；所述的應用層包括運行狀態管理模塊、通訊接口模塊、功率管理模塊、前后級控制算法模塊、安規管理模塊、MCU保護模塊、輸入信號管理模塊、數據處理核、顯示模塊以及調試模塊。

優選地，所述的外設配置管理模塊用于管理微控制器的外設從屬關系配置以及CLA的配置，將外設依據需求分配給指定的CPU與CLA、配置CLA運行設定、配置共享RAM分區。

優選地，所述的外設驅動模塊包括外設的驅動配置以及應用接口程序。

優選地，所述的硬件抽象層還包括芯片內的系統時鐘、系統驅動、GPIO。

優選地，所述的各內核操作系統包括核1、核2、CLA-核1與CLA-核2。

優選地，運行狀態管理模塊、通訊接口模塊、功率管理模塊、安規管理模塊、MCU保護模塊、輸出信號管理模塊、顯示模塊以及調試模塊均在核1中運行，前后級控制算法模塊在核2中運行；輸入信號管理模塊的AD輸入信號在核2中處理，GPIO輸入信號在核1中處理。

優選地，所述的運行狀態管理模塊，用于光伏逆變器狀態機管理；所述的通訊接口模塊，用于逆變器對外通訊接口；所述的功率管理模塊，用于逆變器功率管理；所述的安規管理模塊，用于管理逆變器安規保護；所述的MCU保護模塊，用于逆變器的自我保護功能；所述的輸出信號管理模塊，用于執行逆變輸出動作；所述的顯示模塊，用于人機交互界面LCD信息顯示；所述的調試模塊，用于對接測試工具，對外傳遞內部有效信息；所述的前后級控制算法模塊，用于Boost控制算法、逆變控制算法、PLL算法、輸出優化控制算法；所述的輸入信號管理模塊，用于處理輸入信號；所述的數據處理核，用于AD采樣轉換后的數據處理。

由于以上技術方案的采用，本發明與現有技術相比具有如下優點：

本申請所述的一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統，單個微控制器完成逆變器的整體控制任務；方便光伏逆變器項目開發平臺移植，縮減開發周期；可降低開發成本以及后續維護成本。

附圖說明

圖1圖1多核微控制器軟件架構邏輯圖

圖2為本申請的實施例軟件架構邏輯分層圖；

圖3為本申請的實施例內核間數據交互圖；

圖4為本申請的實施例的內核間共享數據區交互圖；

圖5為實施例的內核間共享數據區交互讀寫過程圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明。應理解，這些實施例是用于說明本發明的基本原理、主要特征和優點，而本發明不受以下實施例的范圍限制。實施例中采用的實施條件可以根據具體要求做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條件。

本發明為提升微控制器處理效率，方便光伏逆變器項目開發平臺移植，縮減開發周期，降低開發成本以及后續維護成本，提出一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構。

本發明提供一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構，以多核微控制器為硬件基礎設計軟件架構，其包含硬件抽象層(Hardware abstraction layer)、操作系統層(OSlayer)以及應用層(Application layer)。

參見圖1，硬件抽象層包含外設配置管理模塊、外設驅動模塊以及芯片內其他驅動(系統時鐘、系統驅動、GPIO等配置)模塊，操作系統層包含各內核間數據交互處理模塊以及各內核操作系統，應用層包含運行狀態管理模塊、通訊接口模塊、功率管理模塊(MPPT等)、前后級控制算法模塊(Boost Control、INV Control等)、安規管理模塊、MCU保護模塊、輸入信號管理模塊、數據處理核、顯示模塊以及調試模塊。

參見附圖2，一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構，以微控制器作為硬件基礎，包括硬件抽象層(Hardware abstraction layer)、操作系統層(OS layer)以及應用層(Application layer)。所述的微控制器支持新型雙核C28x(32位CPU，主頻200MHz)架構，包含2個可獨立運行的可編程控制律加速器(CLA，主頻200MHz)。微控制器外設資源豐富，數據處理能力強大，多達4個模數轉換器(ADC)，通訊接口全面，適合進行高性能光伏逆變器開發。

硬件抽象層包含外設配置管理模塊、外設驅動模塊以及芯片內其他驅動(系統時鐘、系統驅動、GPIO等配置)模塊，其對微控制器外設進行配置編寫相應的接口程序，在微控制器底層硬件與應用層以及操作系統層之間起銜接作用。其中，外設配置管理模塊負責管理微控制器的外設從屬關系配置以及CLA的配置，比如將外設依據需求分配給指定的CPU與CLA、配置CLA運行設定、配置共享RAM分區等等；外設驅動模塊包含各功能外設的驅動配置以及應用接口程序，比如串口外設驅動配置、CAN外設驅動配置、SPI外設配置、ADC驅動配置、EPWM驅動配置、eCAP驅動配置、CMPSS驅動配置等等；芯片內其他驅動模塊包含直接與MCU相關的底層配置，比如SYS Clock配置、SYS Driver配置、Timer配置、GPIO配置等等。操作系統層包含各內核間數據交互處理模塊以及各內核操作系統，實施例中的微控制器包含2個C28x核(記作核1與核2)以及2個獨立的CLA(記作CLA-核1與CLA-核2)，因此各內核操作系統可設定核1中使用實時操作系統(RTOS)，核2使用前后臺系統(Super-loop OS)，CLA-核1與CLA-核2依據微控制器的應用手冊配置任務執行順序。對于內核操作系統所需的系統節拍時鐘以及中斷，可自由選取各內核的定時器資源進行配置。

參見圖3，各內核間數據交互處理模塊負責處理各內核之間的數據交互，主要方法包含直接存儲器存取(DMA)控制器讀取(微控制器自帶)、IPC功能(Interprocessor Communication Module，微控制器自帶)、共享數據區交互功能。

參見圖4與圖5，共享數據區交互功能。實施例中采用的微控制器的共享RAM需要指定其從屬關系，共享RAM從屬內核可對其進行讀寫操作，而另一內核只能進行讀操作。故實施例中共享數據區交互過程如下：

1)在共享RAM中設定2個專用數據交互區，記作交互區A和交互區B。核1可對交互區A進行讀寫操作，核2可對交互區B進行讀寫操作。

2)每個交互區由寫標記區以及數據區組成。

3)寫與讀設定在不同的任務或者中斷之中，在時間上斷開關聯性。

4)讀之前需要判斷寫標記是否完成(0xAA表示寫完成，0x55表示正在寫)。

應用層包含運行狀態管理模塊、通訊接口模塊、功率管理模塊(MPPT等)、前后級控制算法模塊(Boost Control、INV Control等)、安規管理模塊、MCU保護模塊、輸入信號管理模塊、輸出信號管理模塊、數據處理核、顯示模塊以及調試模塊。

在本發明實施例中，運行狀態管理模塊、通訊接口模塊、功率管理模塊、安規管理模塊、MCU保護模塊、輸出信號管理模塊、顯示模塊以及調試模塊均在核1中運行，前后級控制算法模塊在核2中運行；輸入信號管理模塊的AD輸入信號在核2中處理，而其他GPIO輸入信號在核1中處理，數據處理核涉及到核1、CLA-核1與CLA-核2的協同工作。

運行狀態管理模塊，負責光伏逆變器狀態機管理，涉及到如下狀態：等待、自檢、運行以及錯誤。

通訊接口模塊，負責逆變器對外通訊接口，比如外接RAM接口、外接ROM接口、CAN通訊接口、RS485通訊接口、程序在線更新接口等。

功率管理模塊，負責逆變器功率管理，比如MPPT、降載控制等。

安規管理模塊，負責管理逆變器安規保護，涉及各國安規標準的執行。

MCU保護模塊，負責逆變器的自我保護功能，比如硬件參數檢測保護、微控制器的自檢等，可參照的執行標準例如UL1998軟件安規標準。

輸出信號管理模塊，負責執行逆變輸出動作，比如切開對外連接的relay等。

顯示模塊，負責人機交互界面LCD信息顯示。

調試模塊，負責對接測試工具，對外傳遞內部有效信息。

前后級控制算法模塊，負責Boost控制算法、逆變控制算法、PLL算法、輸出優化控制算法等。

輸入信號管理模塊，負責處理輸入信號，包含AD輸入、市電過零點輸入、其他外部信號輸入等。

數據處理核，負責AD采樣轉換后的數據處理，以滿足各功能各任務的需要。

申請所述的一種基于多核微控制器的光伏逆變器軟件架構系統，單個微控制器完成逆變器的整體控制任務；方便光伏逆變器項目開發平臺移植，縮減開發周期；可降低開發成本以及后續維護成本。

以上對本發明做了詳盡的描述，實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想，其目的在于讓熟悉此領域技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。