FPGA-basierte Implementierung eines I2C- und SPI-Protokolls zur Kommunikation mit Speicherbausteinen

  • Motivation

    Das Stromnetz befindet sich im Wandel von einer zentralisierten hin zu einer dezentralisierten Energieversorgung durch die steigende Anzahl erneuerbarer Energiequellen. Eine zentrale Herausforderung ist die Netzstabilität angesichts fluktuierender erneuerbarer Energiequellen. Hier kommen Netzkupplungen mit leistungselektronischen Umrichtern ins Spiel, welche zur Stabilisierung des Netzes eingesetzt werden sollen.

    Damit diese Umrichter unter Realbedingungen untersucht werden können, entsteht am Campus Nord das High Power Grid Lab (HPGL), welches eine kontrollierte Testumgebung für Umrichter im MW-Bereich zur Verfügung stellt. Das HPGL selbst besteht aus mehreren Modularen Multilevel Umrichtern (MMC).

    Um das Verhalten des HPGL bereits vorab zu testen, wird ein skalierter Demonstrator bestehend aus drei MMCs mit jeweils 192 Zellen am ETI aufgebaut.

     

    Aufgabenstellung

    Jede MMC-Zelle verfügt über eine lokale Steuereinheit (LCU), welche für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter sowie für die Messung der Zelltemperatur und -spannung zuständig ist. Damit zellspezifische Kalibrierdaten für jede Zelle gespeichert werden können, verfügt jede Zelle über einen EEPROM-Baustein. Für die Kommunikation mit dem Speicherbaustein wird das I2C-Protokoll verwendet. Zur Speicherung von Mess- und Loggingdaten im laufenden Betrieb befindet sich zusätzlich ein Flash-Speicher auf der LCU. Vor allem im Fehlerfall soll dieser Baustein Auskunft über die Fehlerursache liefern. Dazu muss im laufenden Betrieb der Inhalt des Speichers fortlaufend überschrieben werden. Dieser Baustein verwendet das SPI-Protokoll als Kommunikationsschnittstelle.

    Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollen die Schnittstellen für die beiden Speicherbausteine auf dem MAX10-FPGA der LCU implementiert und validiert werden.