基于ARM7的人機(jī)接口模塊設(shè)計
[導(dǎo)讀]設(shè)計了一種基于ARM7的小電流接地故障選線裝置的人機(jī)接口模塊．說明了模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理。硬件上給出了液晶接口電路和按鍵接口電路，分析了鍵盤和LED驅(qū)動芯片ZLG7290的工作原理；軟件上采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方案，并結(jié)合工程要求，分層設(shè)計，逐步細(xì)化，來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，同時對界面作了簡單介紹。
0 引言
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，其系統(tǒng)容量越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(jī)接口的功能提出了更高的要求。新型的人機(jī)接口模塊要能夠快速響應(yīng)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(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為人機(jī)接口的升級提供了技術(shù)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(shè)計了一種基于ARM7的人機(jī)接口模塊，該模塊比傳統(tǒng)的人機(jī)接口具有更大的優(yōu)勢。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的人機(jī)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，取指、譯碼及執(zhí)指可同時完成．其最高操作頻率可達(dá)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(jī)接口模塊的控制職能。其CPU外部復(fù)位芯片可采用CATALYST公司生產(chǎn)的CAT1025。CAT1025兼顧了非易失性存儲器和復(fù)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(fù)位輸入和寫保護(hù)輸入。
1.2液晶接口
液晶模塊(LCM)采用內(nèi)置T6963C控制器的SMG240128A點陣圖形液晶。該液晶為單屏結(jié)構(gòu)，采用單電源供電，點像素為240×128點，黑色字／藍(lán)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(qū)動；數(shù)據(jù)線接雙向八位總線收發(fā)器74LS245作為驅(qū)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(qū)動與電阻驅(qū)動相比，整個模塊結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)液晶的對比度，W2用于調(diào)節(jié)液晶的背光強(qiáng)度，用戶可以根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)液晶的顯示效果。[!--empirenews.page--]
1.3 鍵盤及LED接口
鍵盤主要負(fù)責(zé)用戶指令的輸入，LED則負(fù)責(zé)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(qū)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(qū)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(dá)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(kuò)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(qiáng)。在工業(yè)測控中應(yīng)用十分廣泛。本次人機(jī)接口模塊設(shè)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(dá)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(dāng)有按鍵按下時，會觸發(fā)按鍵中斷。當(dāng)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(dāng)減小其阻值，可以增大LED的亮度。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)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(jī)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(jī)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(quán)限設(shè)置、修改系統(tǒng)運行參數(shù)；
為此，可采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，自頂向下，逐步細(xì)化問題的求解過程，并分階段進(jìn)行，以便每個階段處理的問題都控制在人們?nèi)菀桌斫夂吞幚淼姆秶鷥?nèi)。針對小電流接地系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊，其程序分層設(shè)計方案如圖4所示。
3 人機(jī)交互界面
本LCD可由其內(nèi)置控制器T6963C控制，T6963C內(nèi)部的指令集用于設(shè)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(shè)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(yīng)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(nèi)容如圖5所示。[!--empirenews.page--]
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(shè)定，右上角為通訊正常標(biāo)志，右下角為翻頁標(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)時可選中不同的設(shè)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(jìn)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(nèi)置寄存器來實現(xiàn)。
4 結(jié)束語
通過調(diào)試和實驗，本設(shè)計的人機(jī)接口模塊能夠很好地完成小電流接地裝置的人機(jī)交互功能。該模塊在硬件上采用了高性能集成電路驅(qū)動芯片，使得電路的結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性強(qiáng)。而在軟件上的功能也比較完善，靈活性強(qiáng)，便于擴(kuò)展和升級。基于以上的特點，該人機(jī)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(jī)接口模塊的設(shè)計提供一定的參考。
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，其系統(tǒng)容量越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(jī)接口的功能提出了更高的要求。新型的人機(jī)接口模塊要能夠快速響應(yīng)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(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為人機(jī)接口的升級提供了技術(shù)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(shè)計了一種基于ARM7的人機(jī)接口模塊，該模塊比傳統(tǒng)的人機(jī)接口具有更大的優(yōu)勢。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的人機(jī)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，取指、譯碼及執(zhí)指可同時完成．其最高操作頻率可達(dá)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(jī)接口模塊的控制職能。其CPU外部復(fù)位芯片可采用CATALYST公司生產(chǎn)的CAT1025。CAT1025兼顧了非易失性存儲器和復(fù)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(fù)位輸入和寫保護(hù)輸入。
1.2液晶接口
液晶模塊(LCM)采用內(nèi)置T6963C控制器的SMG240128A點陣圖形液晶。該液晶為單屏結(jié)構(gòu)，采用單電源供電，點像素為240×128點，黑色字／藍(lán)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(qū)動；數(shù)據(jù)線接雙向八位總線收發(fā)器74LS245作為驅(qū)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(qū)動與電阻驅(qū)動相比，整個模塊結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)液晶的對比度，W2用于調(diào)節(jié)液晶的背光強(qiáng)度，用戶可以根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)液晶的顯示效果。[!--empirenews.page--]
1.3 鍵盤及LED接口
鍵盤主要負(fù)責(zé)用戶指令的輸入，LED則負(fù)責(zé)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(qū)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(qū)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(dá)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(kuò)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(qiáng)。在工業(yè)測控中應(yīng)用十分廣泛。本次人機(jī)接口模塊設(shè)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(dá)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(dāng)有按鍵按下時，會觸發(fā)按鍵中斷。當(dāng)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(dāng)減小其阻值，可以增大LED的亮度。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)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(jī)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(jī)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(quán)限設(shè)置、修改系統(tǒng)運行參數(shù)；
為此，可采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，自頂向下，逐步細(xì)化問題的求解過程，并分階段進(jìn)行，以便每個階段處理的問題都控制在人們?nèi)菀桌斫夂吞幚淼姆秶鷥?nèi)。針對小電流接地系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊，其程序分層設(shè)計方案如圖4所示。
3 人機(jī)交互界面
本LCD可由其內(nèi)置控制器T6963C控制，T6963C內(nèi)部的指令集用于設(shè)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(shè)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(yīng)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(nèi)容如圖5所示。[!--empirenews.page--]
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(shè)定，右上角為通訊正常標(biāo)志，右下角為翻頁標(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)時可選中不同的設(shè)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(jìn)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(nèi)置寄存器來實現(xiàn)。
4 結(jié)束語
通過調(diào)試和實驗，本設(shè)計的人機(jī)接口模塊能夠很好地完成小電流接地裝置的人機(jī)交互功能。該模塊在硬件上采用了高性能集成電路驅(qū)動芯片，使得電路的結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性強(qiáng)。而在軟件上的功能也比較完善，靈活性強(qiáng)，便于擴(kuò)展和升級。基于以上的特點，該人機(jī)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(jī)接口模塊的設(shè)計提供一定的參考。
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