基于ARM7的人机接口模块设计

0 引言

随着电力系统的发展，其系统容量越来越大，结构越来越复杂，系统中的自控及继保装置所需处理的信息不断增加，这对人机接口的功能提出了更高的要求。新型的人机接口模块要能够快速响应和处理大量数据，并具备实时信息显示和人性化界面功能。而集成电路技术和嵌入式系统技术的飞速发展及其在电力系统中的应用，为人机接口的升级提供了技术支持。本文以小电流接地系统故障选线装置的研发为背景，并利用高性能低功耗的集成电路芯片，设计了一种基于ARM7的人机接口模块，该模块比传统的人机接口具有更大的优势。

1  系统结构

本系统的人机接口模块功能框图如图1所示。



1.1 CPU系统

本模块中的CPU采用32位高性能低功耗微控制器芯片LPC2134，该芯片内置丰富的硬件资源，包括32 KB的静态RAM、128 KB的Flash、2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口和实时时钟等。该CPU使用三级流水线技术，取指、译码及执指可同时完成．其最高操作频率可达60MHz。向量中断控制器(VIC)可管理所有的32个中断输入，中断优先级可编程动态分配。这些功能的集成使得LPC2134十分适合于工业测控，并能胜任对人机接口模块的控制职能。其CPU外部复位芯片可采用CATALYST公司生产的CAT1025。CAT1025兼顾了非易失性存储器和复位功能。存储器则采用高速I2C总线接口(400 kb／s)，可支持手动按键复位输入和写保护输入。

1.2液晶接口

液晶模块(LCM)采用内置T6963C控制器的SMG240128A点阵图形液晶。该液晶为单屏结构，采用单电源供电，点像素为240×128点，黑色字／蓝色底，属于中规模LCM。其液晶模块和CPU的接口电路原理如图2所示。



在图2所示的液晶接口电路中，CPU的控制线先接六输入反相器74HC14作为驱动；数据线接双向八位总线收发器74LS245作为驱动，该芯片有2根控制线，可分别控制数据传输方向(DIR)和片选(G)。采用芯片驱动与电阻驱动相比，整个模块结构更加紧凑，线路清晰，可提高系统的集成度和抗干扰能力。电位器W1用于调节液晶的对比度，W2用于调节液晶的背光强度，用户可以根据需要随时调节液晶的显示效果。[page]

1.3  键盘及LED接口

键盘主要负责用户指令的输入，LED则负责指示系统运行状态。传统的键盘和LED往往独占CPU引脚资源。可由I／O口电平触发来控制。矩阵式键盘虽然能够节约部分引脚，但随着按键的增加，其所占用的引脚数也会增加。

针对这一矛盾，周立功公司推出了一款按键及LED驱动芯片ZLG7290，该芯片采用I2C串行接口，可提供键盘中断信号，以方便与CPU接口，最少时仅需占用2根I2C口信号线，故可大大节省I／O资源；它可以直接驱动8位共阴式数码管(1英寸以下)或64只独立的LED；同时能够管理多达64只按键，并自动消除抖动，其中有8只可以作为功能键使用。其最大的优点在于可根据系统需求选择按键及LED的数量，且按键及LED的扩展无需增加CPU的硬件开销，同时能自动完成键盘及LED的动态扫描，节省CPU的工作量，也可集中资源用于信号的检测和控制。该芯片作为工业级芯片，其抗干扰能力很强。在工业测控中应用十分广泛。本次人机接口模块设计采用了8只按键和8只LED，其连接电路原理图如图3所示。



图3中，ZLG7290只需占用3根CPU的I／O线，分别为I2C口数据传输线SDA，时钟传输线SCL及按键中断输入INT。ZLG7290的I2C口与LPC2134的I2C1口相连接，其传输速率可达32 kbit／s，由于是开漏端口，故需加1 kΩ的上拉电阻；中断信号线可与LPC2134的外部中断3 (EINT3)的输入引脚连接，当有按键按下时，会触发按键中断。当然，也可不连接该信号线，由软件查询来完成按键检测。R1～R8是键盘电阻，可防止按键按下时Dig信号线和Seg信号线形成短路而影响LED显示；R9～R16为限流电阻，阻值为220Ω，适当减小其阻值，可以增大LED的亮度。

2  软件设计

软件设计旨在充分利用系统硬件资源，实现小电流接地装置人机接口部分所需完成的功能。具体的功能包括：

(1)由串口接收并处理下位机DSP传送过来的正常信息数据及故障信息数据；

(2)实时显示变电站各条线路正常运行信息，包括母线上的三相电压Ua，Ub，Uc；三线电压Uab，Ubc，Uca；PT开口电压(即零序电压)3U0；各条出线的零序电流3I0,，

(4)接收到故障信息时，中断正常信息的显示，切换到故障画面，并启动声光报警；

(5)存储接地故障信息，作为故障记录备案；

(6)随时查询正常运行信息和接地故障信息；并根据权限设置、修改系统运行参数；

为此，可采用结构化的程序设计方法，自顶向下，逐步细化问题的求解过程，并分阶段进行，以便每个阶段处理的问题都控制在人们容易理解和处理的范围内。针对小电流接地系统的人机接口模块，其程序分层设计方案如图4所示。



3  人机交互界面

本LCD可由其内置控制器T6963C控制，T6963C内部的指令集用于设置液晶模块的显示功能，包括地址指针、显示区域、显示方式、数据读写方式的设置。可采用图形模式完成显示功能，图形模式下的显示原理是将字模数据逐个字节地写入图形显示区，每位对应液晶屏上的一个像素点。其系统主菜单及正常信息显示部分的内容如图5所示。[page]


图5(b)中，1#PT代表1#母线，具体显示的母线条数可由现场运行条件设定，右上角为通讯正常标志，右下角为翻页标志。其故障信息及历史记录查询画面如图6所示。



接地故障信息通常包括发生故障的母线号、线路号、故障相、故障后3U0值、接地故障发生时间及消失时间。

本设计需由按键来实现系统参数的修改和存储，其按键面板如图7所示。



图7中一共设置了8个按键，包括上下左右四个方向键，回车键、退出键、累加键和递减键。其中方向键用于银的子菜单及显示画面，在设置系统参数时可选中不同的设置位，累加键和递减键用于修改参数值，通过加减一来实现；回车键用于进入下一级子菜单及保存修改数据，退出键用于返回上级菜单。按键及LED的功能由带I2C接口的ZLG7290芯片通过读写内置寄存器来实现。

4  结束语

通过调试和实验，本设计的人机接口模块能够很好地完成小电流接地装置的人机交互功能。该模块在硬件上采用了高性能集成电路驱动芯片，使得电路的结构紧凑，抗干扰性强。而在软件上的功能也比较完善，灵活性强，便于扩展和升级。基于以上的特点，该人机接口模块具备较好的实用和推广价值，可为嵌入式系统装置中人机接口模块的设计提供一定的参考。