專利名稱：人機界面自動保護及顯示裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電廠或.變電站自動化系統35kv及以下線路二次設備保護裝置， 具體涉及人機界面自動保護及顯示裝置。
背景技術：
微機型繼電保護裝置應用于電力系統具有很大的優越性，通常能夠提供一個顯示模塊，方便運行人員瀏覽實時數據，查看故障報告等。顯示模塊從當初的數碼管LED，到目前比較流行的單色液晶屏，通常是128*64點陣以下的小尺寸液晶屏。顯示模塊的驅動方式基本都是作為主CPU的一個外設，通過數據總線和控制線連接，驅動程序是主程序的一部分。 這樣設計有很大的缺點，系統的數據總線過長，抗干擾能力下降，程序編寫和后期的維護不方便。通常顯示模塊中作為人機界面的液晶尺寸是固定的，如果后期要升級產品，更換其他尺寸的液晶，不但要重新設計硬件，而且要修改大量的程序，這樣將增大開發的周期，浪費很大的人力和物力。因此開發一種新型的人機界面顯得非常必要。目前硬件的發展很快，有多種尺寸的液晶顯示屏可供選擇，存儲器件的容量也快速增長，這些硬件設備的高速發展， 為人機接口的各種改進提供可能。
發明內容本實用新型的目的是提供一種結構簡單，操作方便，彩色液晶顯示，信息量大，方便直觀的人機界面自動保護及顯示裝置。為了克服現有技術的不足，本實用新型的技術方案是這樣解決的一種人機界面自動保護顯示裝置，該裝置的系統控制電路包括系統電源電路、硬件看門狗電路、CPU外部電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路、輸入輸出接口電路、液晶背光驅動電路，本實用新型的特殊之處在于所述CPU外部電路依次分別與系統電源電路、硬件看門狗電路、輸入輸出接口電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路連接，所述CPU外部電路又與存儲器接口電路連接，液晶背光驅動電路與液晶顯示屏連接。所述系統電源電路包括一個NCVl 117-1. 8芯片、一個NCVl 117-3. 3芯片和一個電感線圈構成。所述存儲器接口電路包括一個SST39VF1601芯片或SST39VF3201芯片，一個 ISL61LV25616或ISL61LV12816芯片構成顯示模板數據掉電不丟失的存儲。所述CPLD外部接線電路包括一個ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片構成顯示數據的緩存和輸出控制信號控制彩色液晶的顯示。所述硬件看門狗電路連接有一個ARM芯片和一個SP706SEN喂狗芯片。所述液晶背光驅動電路連接有CAT4237芯片，該芯片控制彩色液晶的背光。所述輸入輸出接口電路至少連接有8個輸入按鍵、8個信號燈和一個蜂鳴器。本實用新型與現有技術相比，具有結構簡單，操作方便，彩色液晶顯示，信息量大， 方便直觀的特點，該裝置采用32位單片機，以高性價比的ARM完成通信規約解析、信號輸出等功能，人機界面采用大尺寸的彩色液晶屏，顯示的信息量大，界面友好，按鍵仿照ATM機的設計，顯示用的模板通過液晶設計工具進行設計，方便直觀，設計好的模板經過編譯生成模板文件，通過下載軟件存儲到大容量的FLASH中。 通過實施本方案，保護裝置的人機界面設計將變得更加簡單可靠，設計人員可以通過液晶模板的設計工具，在PC機上設計好模板，不用修改人機界面的底層程序就可以完成不同顯示風格的人機界面設計，這樣在設計不同產品時，可以提高整個設計的效率，減少人力、物力的浪費，廣泛用于電廠和各種變電站。
[0013]圖4.1為系統原理結構示意框圖；[0014]圖4.2為系統電源電路結構示意圖；[0015]圖4.3為硬件看門狗電路結構示意圖；[0016]圖4.4為主CPU外部電路結構示意圖；[0017]圖4.5為存儲器接口電路結構示意圖；[0018]圖4.6為CPLD外部接線結構示意圖；[0019]圖4 7為輸入輸出接口電路結構示意圖[0020]圖4.8為液晶背光驅動電路結構示意圖。
具體實施方式
附圖為本實用新型的實施例。
以下結合附圖對發明內容作進一步說明參照圖4. 1所示，一種人機界面自動保護顯示裝置，該裝置的系統控制電路包括系統電源電路、硬件看門狗電路、CPU外部電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路、輸入輸出接口電路、液晶背光驅動電路，本實用新型的特殊之處在于所述CPU外部電路依次分別與系統電源電路、硬件看門狗電路、輸入輸出接口電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路連接，所述CPU外部電路又與存儲器接口電路連接，液晶背光驅動電路與液晶顯示屏連接。所述系統電源電路包括一個NCVl 117-1. 8芯片、一個NCVl 117-3. 3芯片和一個電感線圈構成。所述存儲器接口電路包括一個SST39VF1601芯片或SST39VF3201芯片，一個 ISL61LV25616或ISL61LV12816芯片構成顯示模板數據掉電不丟失的存儲。所述CPLD外部接線電路包括一個ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片構成顯示數據的緩存和輸出控制信號控制彩色液晶的顯示。所述硬件看門狗電路連接有一個ARM芯片和一個SP706SEN喂狗芯片。所述液晶背光驅動電路連接有CAT4237芯片，該芯片控制彩色液晶的背光。所述輸入輸出接口電路至少連接有8個輸入按鍵、8個信號燈和一個蜂鳴器。圖4. 2所示為系統電源電路，輸入電壓是+5V，由外部的開關電源提供，L3是濾波磁珠，⑶3、CA18和CA20為濾波電容。輸入的+5V主要給彩色液晶和下面提到的+1. 8V和 +3. 3V電壓轉換芯片供電。[0031]U_ARM_3 及 U_ARM_4 分別為 NCV1117-3. 3、NCV1117-1. 8，分別用于將 +5V 轉換為 +3. 3V和+1.8V電壓，驅動功率IW以上，提供ARM的工作電源，其中⑶1、CA19和CA23是 +3. 3V的濾波電容，CD2和CA22是+1. 8V的濾波電容。圖4. 3所示為硬件看門狗電路圖。芯片U_ARM_6為外部硬件電源監視芯片，具有硬件看門狗的功能，它的型號是SP706SEN。ARM需間隔200ms不斷地向WDI寫入邏輯1和 0，即“喂狗”，否則SP706SEN延時到后將輸出/RESET的低電平信號，去復位ARM芯片，這樣可以防止程序停止運轉，提高系統的穩定性和可靠性。J_WatchD0g為屏蔽硬件狗功能跳線塊，在ARM下載程序或其它調試時短接J_WatchD0g，通過電阻RAl使U_ARM_6腳恒為高電平，使U_ARM_6輸出硬件狗復位信號無效。該電路也能夠檢測+3. 3V電壓的狀態，如果電源電壓異常，也能夠及時產生復位信號，使程序重新運行。圖4. 4所示為主CPU即ARM部分的原理圖，ARM型號為LPC2214，工作的時鐘信號ARM_CLK由CPLD分頻得到，時鐘頻率為10MHz，在內部6倍頻后工作頻率為60MHz。ARM 外總線16位，數據線DO D15，地址線Al A20，通過片選信號/CSO選擇FLASH芯片 SST39VF1601，通過片選信號/CS3選擇CPLD芯片。ARM片內有16Kbyte的RAM及256Kbyte 的FLASH存儲空間，因此程序存于片內FLASH，可以通過加密手段保護軟件知識產權。ARM的異步串口 UARTO用于人機界面和保護CPU插件進行通信，電氣連線為TxD0、RxD0和GND，分別為數據發送、接收、通信地，人機界面和保護CPU插件在同一個機箱內，通信距離較短， 因此通信沒有經過光電隔離，這樣可以提高通信的速率，人機界面上顯示的數據和采集的實際數據盡可能保持同步。D9和DlO是貼片發光二極管，分別指示串口收發數據的通信狀態。短接跳線J_D0WnL0ad可以下載程序到ARM內部的FLASH中。正常運行應斷開。圖4. 5所示為存儲器接口電路圖，主要是RAM芯片ISL61LV25616和FLASH 芯片SST39VF1601，數據總是都是16位的，存儲容量則分別為5II字和2Mbyte。其中SST39VF1601具有低32Kbyte數據保護功能，由ARM輸出一根保護控制線WP#，在該信號線為低電平時不能寫入數據。RAM地址總線的設計既可用ISL61LV25616，也可用 ISL61LV12816，這里RAM的作用是顯示緩存的功能，ARM把要顯示的數據通過數據總線傳給 CPLD,由于液晶的刷新速度較慢，因此先把數據緩存的RAM中，然后再從RAM中取出數據進行顯示。FLASH芯片主要存儲顯示的模板，這些模板不能夠在線修改，但可以通過液晶界面工具修改后，生成指定的文件，通過專用的下載工具下載到FLASH中就可以了。印刷電路板在設計的時候充分考慮了存儲容量的擴展，FLASH芯片既可以選用SST39VF1601，也可以選用 SST39VF3201。圖4. 6是CPLD外部連線部分的原理圖。CPLD型號為ISPMACH 4256，工作電源 3. 3V，設有兩組16位數據總線，DO D15為與ARM接口數據線，發出、接收均為3. 3V電平信號。RAM_D0 RAM_D15為與顯示緩存RAM接口數據線，發出、接收均為3. 3V電平信號。 地址總線信號是RAM_A0 RAM_A16，同樣與顯示緩存RAM連接，作為顯示數據的地址選在， 電平信號是3. 3V電平信號。CY_CPLD是20MHz的有源晶體，給CPLD提供系統時鐘CLKIN， 該時鐘信號在CPLD中經過分屏產生ARM_CLK信號作為ARM的系統時鐘。J_C0LD_2為CPLD 在線調試及程序下載接口。電阻Rll R13是CPLD和彩色液晶接口的限流電阻，可以根據具體的液晶選在匹配的電阻。J_LCD插座是彩色液晶排線的接口，這個接口同時適用信利屏和群創的液晶屏。圖4. 7是輸入輸出接口部分的電路原理圖。輸入主要是指8個按鍵輸入，圖中的標號是SWl SW8，每一個信號都有一個上拉電阻。當按鍵按下時SWx變為低電平，ARM實時監測這個信號，一旦測到低電平表明有鍵按下，程序判斷具體按鍵值，執行相應的操作， 通常按鍵沒有按下時，SWx信號為高電平。輸出信號LEDl LED8是8個信號燈，各個燈的含義在不同的保護裝置中是不同的，例如在線路保護中，依次是“運行燈”、“告警燈”、“跳閘燈”、“充電滿燈”、“重合燈”、“備用燈”、“跳位燈”、“合位燈”和“信號燈”。信號燈驅動信號直接連接在ARM的管腳上，當發生相應的事件時，保護插件通過通信將輸出信號的命令傳給人際界面的ARM，驅動相應的信號燈，提示運行人員做出相應的處理。圖中Bl是一個蜂鳴器，驅動信號是BUZ^R，當需要驅動蜂鳴器時，BUZ^R輸出低電平，光電耦合器0P2導通，蜂鳴器得電發出聲響，提示運行人員在顯示界面查看報警信息，并進行相應的處理。圖4. 8是液晶背光驅動部分電路原理圖。U4是該部分的主要芯片，型號是 CAT4237，這個電路提供了電流驅動的方式，這樣背光的亮度比較穩定。其中R20是輸出電流調節電阻，根據不同的液晶屏選擇不同的阻值。目前我們主要選擇的信利和群創的液晶屏，對應的電阻值是11歐姆和9. 1歐歐姆。綜上所述，本實用新型的人機界面主要采用了一款32位單片機、可編程邏輯芯片 ISPMACH 4256,2Mbyte的大容量FLASH存儲器，51 (字的RAM存儲器、輸入輸出電路、液晶背光電路和硬件看門狗器件。本實用新型的技術方案是將32位單片機、可編程邏輯芯片CPLD、大容量的FLASH 和RAM、硬件看門狗芯片集成于一塊印刷線路板上。其中主CPU是PHLIPS公司的ARM系列芯片LPC2214 (以下稱ARM)，它的主要功能是與系統的保護CPU插件進行通信，收集實時數據進行顯示，同時完成操作命令的發送。可編程邏輯器件CPLD實現對液晶屏的驅動，待顯示的數據緩存在51 (字的RAM中。2Mbyte的大容量FLASH主要存儲的是顯示用的模板。印刷電路板工藝采用雙層電路板，主要芯片表貼在電路板的頂層元器件面，其它元器件表貼在電路板的底層。為了提高整個系統的可靠性，在印刷路板路的設計過程中，遵循了一些高頻電路的設計基本原則。首先要給各個子模塊提供高質量的電源，這對整個系統能夠穩定可靠的工作至關主要，為了消除低頻噪音對系統的影響，在電源進入印刷電路板的位置和靠近各器件的電源的引腳處加上幾十到幾百微法的電容，以消除電源的噪音。 同時為了消除元器件工作時產生的高頻噪音，在器件的電源和地之間加上0. IuF左右地電容，可以很好地濾出高頻噪聲的影響。其次把CPU的輸入輸出信號中相同類型的，例如數據線、地址線的信號線成組、平行分布，同時注意它們之間的長短差異不要太大，采用這種布線方式，不但可以減少干擾，增加系統的穩定性，還可以使布線變得簡單，印刷電路板的外觀更美觀。ARM芯片外部擴展了一片2Mbyte的FLASH存儲器，保存了液晶顯示用的模板文件， 系統參數等。ARM外部擴展的FLASH存儲芯片為SST39VF1601芯片。其中SST39VF1601具有低32Kbyte數據保護功能，由ARM輸出一根保護控制線/WP，控制/WP的電平就可以保護 FLASH中的數據。通過界面正常修改參數的時候，/WP輸出為高電平，平常運行的時候/WP 輸出為低電平，這樣可以有效保護其中的數據，避免誤改寫運行參數。人機界面顯示的數據是通過ARM本身的UARTO和保護CPU插件進行通信獲得的。由于通信是在裝置的內部進行的，通信距離很近，因此是將兩個印刷電路板得ARM的通信管腳直接連接，中間沒有進行光電隔離，這樣做的好處是通信的速率可以設定的比較高，提高數據顯示的刷新速度。實際中通信的波特率設定的是38400bps，經過長期的運行，已經證明這樣的設計是穩定、可靠的。人機界面采用彩色液晶屏，目前支持彩色液晶屏有兩種，第一種是群創的彩色液晶屏型號是AT043TN24，另外一種是信利的，型號是TFT1P4527-EV1。液晶顯示驅動是由 CPLD實現的，ARM把要顯示的數據通過數據總線傳給CPLD，CPLD先將數據緩存在RAM中，然后再從顯示緩存中取的要顯示的數據，通過行、列掃描輸出到液晶上。其中顯示緩存采用了 51 (字的RAM，完全可以滿足顯示的需要。在實際的運行中，系統可能會遭到各種各樣的干擾，為了保證在干擾的環境中，系統軟件可靠運行，設計了單獨的外部看門狗電路。主要芯片為SP706SEN。正常工作時ARM 會定時喂狗，即輸出電平脈沖信號給SP706SEN，如果在規定的時間內看門狗芯片沒有收到喂狗信號，則強迫復位ARM芯片，程序自動重新運行，看門狗芯片同時還具有系統電源監視和異常復位功能。
權利要求1.一種人機界面自動保護顯示裝置，該裝置的系統控制電路包括系統電源電路、硬件看門狗電路、CPU外部電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路、輸入輸出接口電路、液晶背光驅動電路，其特征在于所述CPU外部電路依次分別與系統電源電路、硬件看門狗電路、 輸入輸出接口電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路連接，所述CPU外部電路又與存儲器接口電路連接，液晶背光驅動電路與液晶顯示屏連接。
2.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述系統電源電路包括一個NCV1117-1. 8芯片、一個NCV1117-3. 3芯片和一個電感線圈構成。
3.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述存儲器接口電路包括一個 SST39VF1601 芯片或 SST39VF3201 芯片，一個 ISL61LV25616 或 ISL61LVU816 芯片構成顯示模板數據掉電不丟失的存儲。
4.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述CPLD外部接線電路包括一個ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片構成顯示數據的緩存和輸出控制信號控制彩色液晶的顯示。
5.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述硬件看門狗電路連接有一個ARM芯片和一個SP706SEN喂狗芯片。
6.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述液晶背光驅動電路連接有CAT4237芯片，該芯片控制彩色液晶的背光。
7.根據權利要求1所述的人機界面自動保護顯示裝置，其特征在于所述輸入輸出接口電路至少連接有8個輸入按鍵、8個信號燈和一個蜂鳴器。
專利摘要本實用新型公開了人機界面自動保護顯示裝置，該裝置的系統控制電路包括系統電源電路、硬件看門狗電路、CPU外部電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路、輸入輸出接口電路、液晶背光驅動電路，CPU外部電路依次分別與系統電源電路、硬件看門狗電路、輸入輸出接口電路、存儲器接口電路、CPLD外部接線電路連接，所述CPU外部電路又與存儲器接口電路連接，液晶背光驅動電路與液晶顯示屏連接。具有結構簡單，操作方便，彩色液晶顯示，信息量大，方便直觀的特點，人機界面采用大尺寸的彩色液晶屏，顯示的信息量大，模板經過編譯生成模板文件，通過下載軟件存儲到大容量的FLASH中。廣泛用于電廠和各種變電站。
文檔編號G05B19/042GK202177794SQ20112015703
公開日2012年3月28日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者呂開顏, 王強, 田風岐 申請人:西安丙坤電氣有限公司