基于A(yíng)RM7的入機接口模塊設計

0 引言

隨著(zhù)電力系統的發(fā)展，其系統容量越來(lái)越大，結構越來(lái)越復雜，系統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據，并具備實(shí)時(shí)信息顯示和人性化界面功能。而集成電路技術(shù)和嵌入式系統技術(shù)的飛速發(fā)展及其在電力系統中的應用，為人機接口的升級提供了技術(shù)支持。本文以小電流接地系統故障選線(xiàn)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，該模塊比傳統的人機接口具有更大的優(yōu)勢。

1 系統結構

本系統的人機接口模塊功能框圖如圖1所示。

1.1 CPU系統

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(gè)16C550工業(yè)標準UART、2個(gè)高速I(mǎi)2C接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。該CPU使用三級流水線(xiàn)技術(shù)，取指、譯碼及執指可同時(shí)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(gè)中斷輸入，中斷優(yōu)先級可編程動(dòng)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(chǎn)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I(mǎi)2C總線(xiàn)接口(400 kb／s)，可支持手動(dòng)按鍵復位輸入和寫(xiě)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(diǎn)陣圖形液晶。該液晶為單屏結構，采用單電源供電，點(diǎn)像素為240×128點(diǎn)，黑色字／藍色底，屬于中規模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(xiàn)先接六輸入反相器74HC14作為驅動(dòng)；數據線(xiàn)接雙向八位總線(xiàn)收發(fā)器74LS245作為驅動(dòng)，該芯片有2根控制線(xiàn)，可分別控制數據傳輸方向(DIR)和片選(G)。采用芯片驅動(dòng)與電阻驅動(dòng)相比，整個(gè)模塊結構更加緊湊，線(xiàn)路清晰，可提高系統的集成度和抗干擾能力。電位器W1用于調節液晶的對比度，W2用于調節液晶的背光強度，用戶(hù)可以根據需要隨時(shí)調節液晶的顯示效果。

1.3 鍵盤(pán)及LED接口

鍵盤(pán)主要負責用戶(hù)指令的輸入，LED則負責指示系統運行狀態(tài)。傳統的鍵盤(pán)和LED往往獨占CPU引腳資源?？捎蒊／O口電平觸發(fā)來(lái)控制。矩陣式鍵盤(pán)雖然能夠節約部分引腳，但隨著(zhù)按鍵的增加，其所占用的引腳數也會(huì )增加。

針對這一矛盾，周立功公司推出了一款按鍵及LED驅動(dòng)芯片ZLG7290，該芯片采用I2C串行接口，可提供鍵盤(pán)中斷信號，以方便與CPU接口，最少時(shí)僅需占用2根I2C口信號線(xiàn)，故可大大節省I／O資源；它可以直接驅動(dòng)8位共陰式數碼管(1英寸以下)或64只獨立的LED；同時(shí)能夠管理多達64只按鍵，并自動(dòng)消除抖動(dòng)，其中有8只可以作為功能鍵使用。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可根據系統需求選擇按鍵及LED的數量，且按鍵及LED的擴展無(wú)需增加CPU的硬件開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)能自動(dòng)完成鍵盤(pán)及LED的動(dòng)態(tài)掃描，節省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(xiàn)，分別為I2C口數據傳輸線(xiàn)SDA，時(shí)鐘傳輸線(xiàn)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(kāi)漏端口，故需加1 kΩ的上拉電阻；中斷信號線(xiàn)可與LPC2134的外部中斷3 (EINT3)的輸入引腳連接，當有按鍵按下時(shí)，會(huì )觸發(fā)按鍵中斷。當然，也可不連接該信號線(xiàn)，由軟件查詢(xún)來(lái)完成按鍵檢測。R1～R8是鍵盤(pán)電阻，可防止按鍵按下時(shí)Dig信號線(xiàn)和Seg信號線(xiàn)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硬件資源，實(shí)現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(guò)來(lái)的正常信息數據及故障信息數據；

　　(2)實(shí)時(shí)顯示變電站各條線(xiàn)路正常運行信息，包括母線(xiàn)上的三相電壓Ua，Ub，Uc；三線(xiàn)電壓Uab，Ubc，Uca；PT開(kāi)口電壓(即零序電壓)3U0；各條出線(xiàn)的零序電流3I0,，

　　(4)接收到故障信息時(shí)，中斷正常信息的顯示，切換到故障畫(huà)面，并啟動(dòng)聲光報警；

　　(5)存儲接地故障信息，作為故障記錄備案；

　　(6)隨時(shí)查詢(xún)正常運行信息和接地故障信息；并根據權限設置、修改系統運行參數；

為此，可采用結構化的程序設計方法，自頂向下，逐步細化問(wèn)題的求解過(guò)程，并分階段進(jìn)行，以便每個(gè)階段處理的問(wèn)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、顯示區域、顯示方式、數據讀寫(xiě)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據逐個(gè)字節地寫(xiě)入圖形顯示區，每位對應液晶屏上的一個(gè)像素點(diǎn)。其系統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(xiàn)，具體顯示的母線(xiàn)條數可由現場(chǎng)運行條件設定，右上角為通訊正常標志，右下角為翻頁(yè)標志。其故障信息及歷史記錄查詢(xún)畫(huà)面如圖6所示。

接地故障信息通常包括發(fā)生故障的母線(xiàn)號、線(xiàn)路號、故障相、故障后3U0值、接地故障發(fā)生時(shí)間及消失時(shí)間。

本設計需由按鍵來(lái)實(shí)現系統參數的修改和存儲，其按鍵面板如圖7所示。

圖7中一共設置了8個(gè)按鍵，包括上下左右四個(gè)方向鍵，回車(chē)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(huà)面，在設置系統參數時(shí)可選中不同的設置位，累加鍵和遞減鍵用于修改參數值，通過(guò)加減一來(lái)實(shí)現；回車(chē)鍵用于進(jìn)入下一級子菜單及保存修改數據，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(guò)讀寫(xiě)內置寄存器來(lái)實(shí)現。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)調試和實(shí)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(dòng)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。基于以上的特點(diǎn)，該人機接口模塊具備較好的實(shí)用和推廣價(jià)值，可為嵌入式系統裝置中人機接口模塊的設計提供一定的參考。