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隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，其系統(tǒng)容量越來越大，結構越來越復雜，系統(tǒng)中的自控及繼保裝置所需處理的信息不斷增加，這對人機接口的功能提出了更高的要求。新型的人機接口模塊要能夠快速響應和處理大量數(shù)據(jù)，并具備實時信息顯示和人性化界面功能。而集成電路技術和嵌入式系統(tǒng)技術的飛速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，為人機接口的升級提供了技術支持。本文以小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置的研發(fā)為背景，并利用高性能低功耗的集成電路芯片，設計了一種基于ARM7的人機接口模塊，該模塊比傳統(tǒng)的人機接口具有更大的優(yōu)勢。
1? 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)的人機接口模塊功能框圖如圖1所示。
1.1 CPU系統(tǒng)
本模塊中的CPU采用32位高性能低功耗微控制器芯片LPC2134，該芯片內置豐富的硬件資源，包括32 KB的靜態(tài)RAM、128 KB的Flash、2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C接口和實時時鐘等。該CPU使用三級流水線技術，取指、譯碼及執(zhí)指可同時完成．其最高操作頻率可達60MHz。向量中斷控制器(VIC)可管理所有的32個中斷輸入，中斷優(yōu)先級可編程動態(tài)分配。這些功能的集成使得LPC2134十分適合于工業(yè)測控，并能勝任對人機接口模塊的控制職能。其CPU外部復位芯片可采用CATALYST公司生產的CAT1025。CAT1025兼顧了非易失性存儲器和復位功能。存儲器則采用高速I2C總線接口(400 kb／s)，可支持手動按鍵復位輸入和寫保護輸入。
1.2液晶接口
液晶模塊(LCM)采用內置T6963C控制器的SMG240128A點陣圖形液晶。該液晶為單屏結構，采用單電源供電，點像素為240×128點，黑色字／藍色底，屬于中規(guī)模LCM。其液晶模塊和CPU的接口電路原理如圖2所示。
在圖2所示的液晶接口電路中，CPU的控制線先接六輸入反相器74HC14作為驅動；數(shù)據(jù)線接雙向八位總線收發(fā)器74LS245作為驅動，該芯片有2根控制線，可分別控制數(shù)據(jù)傳輸方向(DIR)和片選(G)。采用芯片驅動與電阻驅動相比，整個模塊結構更加緊湊，線路清晰，可提高系統(tǒng)的集成度和抗干擾能力。電位器W1用于調節(jié)液晶的對比度，W2用于調節(jié)液晶的背光強度，用戶可以根據(jù)需要隨時調節(jié)液晶的顯示效果。
1.3? 鍵盤及LED接口
鍵盤主要負責用戶指令的輸入，LED則負責指示系統(tǒng)運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的鍵盤和LED往往獨占CPU引腳資源?？捎蒊／O口電平觸發(fā)來控制。矩陣式鍵盤雖然能夠節(jié)約部分引腳，但隨著按鍵的增加，其所占用的引腳數(shù)也會增加。
針對這一矛盾，周立功公司推出了一款按鍵及LED驅動芯片ZLG7290，該芯片采用I2C串行接口，可提供鍵盤中斷信號，以方便與CPU接口，最少時僅需占用2根I2C口信號線，故可大大節(jié)省I／O資源；它可以直接驅動8位共陰式數(shù)碼管(1英寸以下)或64只獨立的LED；同時能夠管理多達64只按鍵，并自動消除抖動，其中有8只可以作為功能鍵使用。其最大的優(yōu)點在于可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇按鍵及LED的數(shù)量，且按鍵及LED的擴展無需增加CPU的硬件開銷，同時能自動完成鍵盤及LED的動態(tài)掃描，節(jié)省CPU的工作量，也可集中資源用于信號的檢測和控制。該芯片作為工業(yè)級芯片，其抗干擾能力很強。在工業(yè)測控中應用十分廣泛。本次人機接口模塊設計采用了8只按鍵和8只LED，其連接電路原理圖如圖3所示。
圖3中，ZLG7290只需占用3根CPU的I／O線，分別為I2C口數(shù)據(jù)傳輸線SDA，時鐘傳輸線SCL及按鍵中斷輸入INT。ZLG7290的I2C口與LPC2134的I2C1口相連接，其傳輸速率可達32 kbit／s，由于是開漏端口，故需加1 kΩ的上拉電阻；中斷信號線可與LPC2134的外部中斷3 (EINT3)的輸入引腳連接，當有按鍵按下時，會觸發(fā)按鍵中斷。當然，也可不連接該信號線，由軟件查詢來完成按鍵檢測。R1～R8是鍵盤電阻，可防止按鍵按下時Dig信號線和Seg信號線形成短路而影響LED顯示；R9～R16為限流電阻，阻值為220Ω，適當減小其阻值，可以增大LED的亮度。
2? 軟件設計
軟件設計旨在充分利用系統(tǒng)硬件資源，實現(xiàn)小電流接地裝置人機接口部分所需完成的功能。具體的功能包括：
(1)由串口接收并處理下位機DSP傳送過來的正常信息數(shù)據(jù)及故障信息數(shù)據(jù)；
(2)實時顯示變電站各條線路正常運行信息，包括母線上的三相電壓Ua，Ub，Uc；三線電壓Uab，Ubc，Uca；PT開口電壓(即零序電壓)3U0；各條出線的零序電流3I0,，
(4)接收到故障信息時，中斷正常信息的顯示，切換到故障畫面，并啟動聲光報警；
(5)存儲接地故障信息，作為故障記錄備案；
(6)隨時查詢正常運行信息和接地故障信息；并根據(jù)權限設置、修改系統(tǒng)運行參數(shù)；
為此，可采用結構化的程序設計方法，自頂向下，逐步細化問題的求解過程，并分階段進行，以便每個階段處理的問題都控制在人們容易理解和處理的范圍內。針對小電流接地系統(tǒng)的人機接口模塊，其程序分層設計方案如圖4所示。
3? 人機交互界面
本LCD可由其內置控制器T6963C控制，T6963C內部的指令集用于設置液晶模塊的顯示功能，包括地址指針、顯示區(qū)域、顯示方式、數(shù)據(jù)讀寫方式的設置?？刹捎脠D形模式完成顯示功能，圖形模式下的顯示原理是將字模數(shù)據(jù)逐個字節(jié)地寫入圖形顯示區(qū)，每位對應液晶屏上的一個像素點。其系統(tǒng)主菜單及正常信息顯示部分的內容如圖5所示。
圖5(b)中，1#PT代表1#母線，具體顯示的母線條數(shù)可由現(xiàn)場運行條件設定，右上角為通訊正常標志，右下角為翻頁標志。其故障信息及歷史記錄查詢畫面如圖6所示。
接地故障信息通常包括發(fā)生故障的母線號、線路號、故障相、故障后3U0值、接地故障發(fā)生時間及消失時間。
本設計需由按鍵來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改和存儲，其按鍵面板如圖7所示。
圖7中一共設置了8個按鍵，包括上下左右四個方向鍵，回車鍵、退出鍵、累加鍵和遞減鍵。其中方向鍵用于銀的子菜單及顯示畫面，在設置系統(tǒng)參數(shù)時可選中不同的設置位，累加鍵和遞減鍵用于修改參數(shù)值，通過加減一來實現(xiàn)；回車鍵用于進入下一級子菜單及保存修改數(shù)據(jù)，退出鍵用于返回上級菜單。按鍵及LED的功能由帶I2C接口的ZLG7290芯片通過讀寫內置寄存器來實現(xiàn)。
4? 結束語
通過調試和實驗，本設計的人機接口模塊能夠很好地完成小電流接地裝置的人機交互功能。該模塊在硬件上采用了高性能集成電路驅動芯片，使得電路的結構緊湊，抗干擾性強。而在軟件上的功能也比較完善，靈活性強，便于擴展和升級?；谝陨系奶攸c，該人機接口模塊具備較好的實用和推廣價值，可為嵌入式系統(tǒng)裝置中人機接口模塊的設計提供一定的參考。
1? 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)的人機接口模塊功能框圖如圖1所示。
1.1 CPU系統(tǒng)
本模塊中的CPU采用32位高性能低功耗微控制器芯片LPC2134，該芯片內置豐富的硬件資源，包括32 KB的靜態(tài)RAM、128 KB的Flash、2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C接口和實時時鐘等。該CPU使用三級流水線技術，取指、譯碼及執(zhí)指可同時完成．其最高操作頻率可達60MHz。向量中斷控制器(VIC)可管理所有的32個中斷輸入，中斷優(yōu)先級可編程動態(tài)分配。這些功能的集成使得LPC2134十分適合于工業(yè)測控，并能勝任對人機接口模塊的控制職能。其CPU外部復位芯片可采用CATALYST公司生產的CAT1025。CAT1025兼顧了非易失性存儲器和復位功能。存儲器則采用高速I2C總線接口(400 kb／s)，可支持手動按鍵復位輸入和寫保護輸入。
1.2液晶接口
液晶模塊(LCM)采用內置T6963C控制器的SMG240128A點陣圖形液晶。該液晶為單屏結構，采用單電源供電，點像素為240×128點，黑色字／藍色底，屬于中規(guī)模LCM。其液晶模塊和CPU的接口電路原理如圖2所示。
在圖2所示的液晶接口電路中，CPU的控制線先接六輸入反相器74HC14作為驅動；數(shù)據(jù)線接雙向八位總線收發(fā)器74LS245作為驅動，該芯片有2根控制線，可分別控制數(shù)據(jù)傳輸方向(DIR)和片選(G)。采用芯片驅動與電阻驅動相比，整個模塊結構更加緊湊，線路清晰，可提高系統(tǒng)的集成度和抗干擾能力。電位器W1用于調節(jié)液晶的對比度，W2用于調節(jié)液晶的背光強度，用戶可以根據(jù)需要隨時調節(jié)液晶的顯示效果。
1.3? 鍵盤及LED接口
鍵盤主要負責用戶指令的輸入，LED則負責指示系統(tǒng)運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的鍵盤和LED往往獨占CPU引腳資源?？捎蒊／O口電平觸發(fā)來控制。矩陣式鍵盤雖然能夠節(jié)約部分引腳，但隨著按鍵的增加，其所占用的引腳數(shù)也會增加。
針對這一矛盾，周立功公司推出了一款按鍵及LED驅動芯片ZLG7290，該芯片采用I2C串行接口，可提供鍵盤中斷信號，以方便與CPU接口，最少時僅需占用2根I2C口信號線，故可大大節(jié)省I／O資源；它可以直接驅動8位共陰式數(shù)碼管(1英寸以下)或64只獨立的LED；同時能夠管理多達64只按鍵，并自動消除抖動，其中有8只可以作為功能鍵使用。其最大的優(yōu)點在于可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇按鍵及LED的數(shù)量，且按鍵及LED的擴展無需增加CPU的硬件開銷，同時能自動完成鍵盤及LED的動態(tài)掃描，節(jié)省CPU的工作量，也可集中資源用于信號的檢測和控制。該芯片作為工業(yè)級芯片，其抗干擾能力很強。在工業(yè)測控中應用十分廣泛。本次人機接口模塊設計采用了8只按鍵和8只LED，其連接電路原理圖如圖3所示。
圖3中，ZLG7290只需占用3根CPU的I／O線，分別為I2C口數(shù)據(jù)傳輸線SDA，時鐘傳輸線SCL及按鍵中斷輸入INT。ZLG7290的I2C口與LPC2134的I2C1口相連接，其傳輸速率可達32 kbit／s，由于是開漏端口，故需加1 kΩ的上拉電阻；中斷信號線可與LPC2134的外部中斷3 (EINT3)的輸入引腳連接，當有按鍵按下時，會觸發(fā)按鍵中斷。當然，也可不連接該信號線，由軟件查詢來完成按鍵檢測。R1～R8是鍵盤電阻，可防止按鍵按下時Dig信號線和Seg信號線形成短路而影響LED顯示；R9～R16為限流電阻，阻值為220Ω，適當減小其阻值，可以增大LED的亮度。
2? 軟件設計
軟件設計旨在充分利用系統(tǒng)硬件資源，實現(xiàn)小電流接地裝置人機接口部分所需完成的功能。具體的功能包括：
(1)由串口接收并處理下位機DSP傳送過來的正常信息數(shù)據(jù)及故障信息數(shù)據(jù)；
(2)實時顯示變電站各條線路正常運行信息，包括母線上的三相電壓Ua，Ub，Uc；三線電壓Uab，Ubc，Uca；PT開口電壓(即零序電壓)3U0；各條出線的零序電流3I0,，
(4)接收到故障信息時，中斷正常信息的顯示，切換到故障畫面，并啟動聲光報警；
(5)存儲接地故障信息，作為故障記錄備案；
(6)隨時查詢正常運行信息和接地故障信息；并根據(jù)權限設置、修改系統(tǒng)運行參數(shù)；
為此，可采用結構化的程序設計方法，自頂向下，逐步細化問題的求解過程，并分階段進行，以便每個階段處理的問題都控制在人們容易理解和處理的范圍內。針對小電流接地系統(tǒng)的人機接口模塊，其程序分層設計方案如圖4所示。
3? 人機交互界面
本LCD可由其內置控制器T6963C控制，T6963C內部的指令集用于設置液晶模塊的顯示功能，包括地址指針、顯示區(qū)域、顯示方式、數(shù)據(jù)讀寫方式的設置?？刹捎脠D形模式完成顯示功能，圖形模式下的顯示原理是將字模數(shù)據(jù)逐個字節(jié)地寫入圖形顯示區(qū)，每位對應液晶屏上的一個像素點。其系統(tǒng)主菜單及正常信息顯示部分的內容如圖5所示。
圖5(b)中，1#PT代表1#母線，具體顯示的母線條數(shù)可由現(xiàn)場運行條件設定，右上角為通訊正常標志，右下角為翻頁標志。其故障信息及歷史記錄查詢畫面如圖6所示。
接地故障信息通常包括發(fā)生故障的母線號、線路號、故障相、故障后3U0值、接地故障發(fā)生時間及消失時間。
本設計需由按鍵來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改和存儲，其按鍵面板如圖7所示。
圖7中一共設置了8個按鍵，包括上下左右四個方向鍵，回車鍵、退出鍵、累加鍵和遞減鍵。其中方向鍵用于銀的子菜單及顯示畫面，在設置系統(tǒng)參數(shù)時可選中不同的設置位，累加鍵和遞減鍵用于修改參數(shù)值，通過加減一來實現(xiàn)；回車鍵用于進入下一級子菜單及保存修改數(shù)據(jù)，退出鍵用于返回上級菜單。按鍵及LED的功能由帶I2C接口的ZLG7290芯片通過讀寫內置寄存器來實現(xiàn)。
4? 結束語
通過調試和實驗，本設計的人機接口模塊能夠很好地完成小電流接地裝置的人機交互功能。該模塊在硬件上采用了高性能集成電路驅動芯片，使得電路的結構緊湊，抗干擾性強。而在軟件上的功能也比較完善，靈活性強，便于擴展和升級?；谝陨系奶攸c，該人機接口模塊具備較好的實用和推廣價值，可為嵌入式系統(tǒng)裝置中人機接口模塊的設計提供一定的參考。
工商網監(jiān)
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