专利名称：人机界面自动保护及显示装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电厂或.变电站自动化系统35kv及以下线路二次设备保护装置， 具体涉及人机界面自动保护及显示装置。
背景技术：
微机型继电保护装置应用于电力系统具有很大的优越性，通常能够提供一个显示模块，方便运行人员浏览实时数据，查看故障报告等。显示模块从当初的数码管LED，到目前比较流行的单色液晶屏，通常是128*64点阵以下的小尺寸液晶屏。显示模块的驱动方式基本都是作为主CPU的一个外设，通过数据总线和控制线连接，驱动程序是主程序的一部分。 这样设计有很大的缺点，系统的数据总线过长，抗干扰能力下降，程序编写和后期的维护不方便。通常显示模块中作为人机界面的液晶尺寸是固定的，如果后期要升级产品，更换其他尺寸的液晶，不但要重新设计硬件，而且要修改大量的程序，这样将增大开发的周期，浪费很大的人力和物力。因此开发一种新型的人机界面显得非常必要。目前硬件的发展很快，有多种尺寸的液晶显示屏可供选择，存储器件的容量也快速增长，这些硬件设备的高速发展， 为人机接口的各种改进提供可能。
发明内容本实用新型的目的是提供一种结构简单，操作方便，彩色液晶显示，信息量大，方便直观的人机界面自动保护及显示装置。为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的一种人机界面自动保护显示装置，该装置的系统控制电路包括系统电源电路、硬件看门狗电路、CPU外部电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路、输入输出接口电路、液晶背光驱动电路，本实用新型的特殊之处在于所述CPU外部电路依次分别与系统电源电路、硬件看门狗电路、输入输出接口电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路连接，所述CPU外部电路又与存储器接口电路连接，液晶背光驱动电路与液晶显示屏连接。所述系统电源电路包括一个NCVl 117-1. 8芯片、一个NCVl 117-3. 3芯片和一个电感线圈构成。所述存储器接口电路包括一个SST39VF1601芯片或SST39VF3201芯片，一个 ISL61LV25616或ISL61LV12816芯片构成显示模板数据掉电不丢失的存储。所述CPLD外部接线电路包括一个ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片构成显示数据的缓存和输出控制信号控制彩色液晶的显示。所述硬件看门狗电路连接有一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。所述液晶背光驱动电路连接有CAT4237芯片，该芯片控制彩色液晶的背光。所述输入输出接口电路至少连接有8个输入按键、8个信号灯和一个蜂鸣器。本实用新型与现有技术相比，具有结构简单，操作方便，彩色液晶显示，信息量大， 方便直观的特点，该装置采用32位单片机，以高性价比的ARM完成通信规约解析、信号输出等功能，人机界面采用大尺寸的彩色液晶屏，显示的信息量大，界面友好，按键仿照ATM机的设计，显示用的模板通过液晶设计工具进行设计，方便直观，设计好的模板经过编译生成模板文件，通过下载软件存储到大容量的FLASH中。 通过实施本方案，保护装置的人机界面设计将变得更加简单可靠，设计人员可以通过液晶模板的设计工具，在PC机上设计好模板，不用修改人机界面的底层程序就可以完成不同显示风格的人机界面设计，这样在设计不同产品时，可以提高整个设计的效率，减少人力、物力的浪费，广泛用于电厂和各种变电站。
[0013]图4.1为系统原理结构示意框图；[0014]图4.2为系统电源电路结构示意图；[0015]图4.3为硬件看门狗电路结构示意图；[0016]图4.4为主CPU外部电路结构示意图；[0017]图4.5为存储器接口电路结构示意图；[0018]图4.6为CPLD外部接线结构示意图；[0019]图4 7为输入输出接口电路结构示意图[0020]图4.8为液晶背光驱动电路结构示意图。
具体实施方式
附图为本实用新型的实施例。
以下结合附图对发明内容作进一步说明参照图4. 1所示，一种人机界面自动保护显示装置，该装置的系统控制电路包括系统电源电路、硬件看门狗电路、CPU外部电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路、输入输出接口电路、液晶背光驱动电路，本实用新型的特殊之处在于所述CPU外部电路依次分别与系统电源电路、硬件看门狗电路、输入输出接口电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路连接，所述CPU外部电路又与存储器接口电路连接，液晶背光驱动电路与液晶显示屏连接。所述系统电源电路包括一个NCVl 117-1. 8芯片、一个NCVl 117-3. 3芯片和一个电感线圈构成。所述存储器接口电路包括一个SST39VF1601芯片或SST39VF3201芯片，一个 ISL61LV25616或ISL61LV12816芯片构成显示模板数据掉电不丢失的存储。所述CPLD外部接线电路包括一个ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片构成显示数据的缓存和输出控制信号控制彩色液晶的显示。所述硬件看门狗电路连接有一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。所述液晶背光驱动电路连接有CAT4237芯片，该芯片控制彩色液晶的背光。所述输入输出接口电路至少连接有8个输入按键、8个信号灯和一个蜂鸣器。图4. 2所示为系统电源电路，输入电压是+5V，由外部的开关电源提供，L3是滤波磁珠，⑶3、CA18和CA20为滤波电容。输入的+5V主要给彩色液晶和下面提到的+1. 8V和 +3. 3V电压转换芯片供电。[0031]U_ARM_3 及 U_ARM_4 分别为 NCV1117-3. 3、NCV1117-1. 8，分别用于将 +5V 转换为 +3. 3V和+1.8V电压，驱动功率IW以上，提供ARM的工作电源，其中⑶1、CA19和CA23是 +3. 3V的滤波电容，CD2和CA22是+1. 8V的滤波电容。图4. 3所示为硬件看门狗电路图。芯片U_ARM_6为外部硬件电源监视芯片，具有硬件看门狗的功能，它的型号是SP706SEN。ARM需间隔200ms不断地向WDI写入逻辑1和 0，即“喂狗”，否则SP706SEN延时到后将输出/RESET的低电平信号，去复位ARM芯片，这样可以防止程序停止运转，提高系统的稳定性和可靠性。J_WatchD0g为屏蔽硬件狗功能跳线块，在ARM下载程序或其它调试时短接J_WatchD0g，通过电阻RAl使U_ARM_6脚恒为高电平，使U_ARM_6输出硬件狗复位信号无效。该电路也能够检测+3. 3V电压的状态，如果电源电压异常，也能够及时产生复位信号，使程序重新运行。图4. 4所示为主CPU即ARM部分的原理图，ARM型号为LPC2214，工作的时钟信号ARM_CLK由CPLD分频得到，时钟频率为10MHz，在内部6倍频后工作频率为60MHz。ARM 外总线16位，数据线DO D15，地址线Al A20，通过片选信号/CSO选择FLASH芯片 SST39VF1601，通过片选信号/CS3选择CPLD芯片。ARM片内有16Kbyte的RAM及256Kbyte 的FLASH存储空间，因此程序存于片内FLASH，可以通过加密手段保护软件知识产权。ARM的异步串口 UARTO用于人机界面和保护CPU插件进行通信，电气连线为TxD0、RxD0和GND，分别为数据发送、接收、通信地，人机界面和保护CPU插件在同一个机箱内，通信距离较短， 因此通信没有经过光电隔离，这样可以提高通信的速率，人机界面上显示的数据和采集的实际数据尽可能保持同步。D9和DlO是贴片发光二极管，分别指示串口收发数据的通信状态。短接跳线J_D0WnL0ad可以下载程序到ARM内部的FLASH中。正常运行应断开。图4. 5所示为存储器接口电路图，主要是RAM芯片ISL61LV25616和FLASH 芯片SST39VF1601，数据总是都是16位的，存储容量则分别为5II字和2Mbyte。其中SST39VF1601具有低32Kbyte数据保护功能，由ARM输出一根保护控制线WP#，在该信号线为低电平时不能写入数据。RAM地址总线的设计既可用ISL61LV25616，也可用 ISL61LV12816，这里RAM的作用是显示缓存的功能，ARM把要显示的数据通过数据总线传给 CPLD,由于液晶的刷新速度较慢，因此先把数据缓存的RAM中，然后再从RAM中取出数据进行显示。FLASH芯片主要存储显示的模板，这些模板不能够在线修改，但可以通过液晶界面工具修改后，生成指定的文件，通过专用的下载工具下载到FLASH中就可以了。印刷电路板在设计的时候充分考虑了存储容量的扩展，FLASH芯片既可以选用SST39VF1601，也可以选用 SST39VF3201。图4. 6是CPLD外部连线部分的原理图。CPLD型号为ISPMACH 4256，工作电源 3. 3V，设有两组16位数据总线，DO D15为与ARM接口数据线，发出、接收均为3. 3V电平信号。RAM_D0 RAM_D15为与显示缓存RAM接口数据线，发出、接收均为3. 3V电平信号。 地址总线信号是RAM_A0 RAM_A16，同样与显示缓存RAM连接，作为显示数据的地址选在， 电平信号是3. 3V电平信号。CY_CPLD是20MHz的有源晶体，给CPLD提供系统时钟CLKIN， 该时钟信号在CPLD中经过分屏产生ARM_CLK信号作为ARM的系统时钟。J_C0LD_2为CPLD 在线调试及程序下载接口。电阻Rll R13是CPLD和彩色液晶接口的限流电阻，可以根据具体的液晶选在匹配的电阻。J_LCD插座是彩色液晶排线的接口，这个接口同时适用信利屏和群创的液晶屏。图4. 7是输入输出接口部分的电路原理图。输入主要是指8个按键输入，图中的标号是SWl SW8，每一个信号都有一个上拉电阻。当按键按下时SWx变为低电平，ARM实时监测这个信号，一旦测到低电平表明有键按下，程序判断具体按键值，执行相应的操作， 通常按键没有按下时，SWx信号为高电平。输出信号LEDl LED8是8个信号灯，各个灯的含义在不同的保护装置中是不同的，例如在线路保护中，依次是“运行灯”、“告警灯”、“跳闸灯”、“充电满灯”、“重合灯”、“备用灯”、“跳位灯”、“合位灯”和“信号灯”。信号灯驱动信号直接连接在ARM的管脚上，当发生相应的事件时，保护插件通过通信将输出信号的命令传给人际界面的ARM，驱动相应的信号灯，提示运行人员做出相应的处理。图中Bl是一个蜂鸣器，驱动信号是BUZ^R，当需要驱动蜂鸣器时，BUZ^R输出低电平，光电耦合器0P2导通，蜂鸣器得电发出声响，提示运行人员在显示界面查看报警信息，并进行相应的处理。图4. 8是液晶背光驱动部分电路原理图。U4是该部分的主要芯片，型号是 CAT4237，这个电路提供了电流驱动的方式，这样背光的亮度比较稳定。其中R20是输出电流调节电阻，根据不同的液晶屏选择不同的阻值。目前我们主要选择的信利和群创的液晶屏，对应的电阻值是11欧姆和9. 1欧欧姆。综上所述，本实用新型的人机界面主要采用了一款32位单片机、可编程逻辑芯片 ISPMACH 4256,2Mbyte的大容量FLASH存储器，51 (字的RAM存储器、输入输出电路、液晶背光电路和硬件看门狗器件。本实用新型的技术方案是将32位单片机、可编程逻辑芯片CPLD、大容量的FLASH 和RAM、硬件看门狗芯片集成于一块印刷线路板上。其中主CPU是PHLIPS公司的ARM系列芯片LPC2214 (以下称ARM)，它的主要功能是与系统的保护CPU插件进行通信，收集实时数据进行显示，同时完成操作命令的发送。可编程逻辑器件CPLD实现对液晶屏的驱动，待显示的数据缓存在51 (字的RAM中。2Mbyte的大容量FLASH主要存储的是显示用的模板。印刷电路板工艺采用双层电路板，主要芯片表贴在电路板的顶层元器件面，其它元器件表贴在电路板的底层。为了提高整个系统的可靠性，在印刷路板路的设计过程中，遵循了一些高频电路的设计基本原则。首先要给各个子模块提供高质量的电源，这对整个系统能够稳定可靠的工作至关主要，为了消除低频噪音对系统的影响，在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电源的引脚处加上几十到几百微法的电容，以消除电源的噪音。 同时为了消除元器件工作时产生的高频噪音，在器件的电源和地之间加上0. IuF左右地电容，可以很好地滤出高频噪声的影响。其次把CPU的输入输出信号中相同类型的，例如数据线、地址线的信号线成组、平行分布，同时注意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得简单，印刷电路板的外观更美观。ARM芯片外部扩展了一片2Mbyte的FLASH存储器，保存了液晶显示用的模板文件， 系统参数等。ARM外部扩展的FLASH存储芯片为SST39VF1601芯片。其中SST39VF1601具有低32Kbyte数据保护功能，由ARM输出一根保护控制线/WP，控制/WP的电平就可以保护 FLASH中的数据。通过界面正常修改参数的时候，/WP输出为高电平，平常运行的时候/WP 输出为低电平，这样可以有效保护其中的数据，避免误改写运行参数。人机界面显示的数据是通过ARM本身的UARTO和保护CPU插件进行通信获得的。由于通信是在装置的内部进行的，通信距离很近，因此是将两个印刷电路板得ARM的通信管脚直接连接，中间没有进行光电隔离，这样做的好处是通信的速率可以设定的比较高，提高数据显示的刷新速度。实际中通信的波特率设定的是38400bps，经过长期的运行，已经证明这样的设计是稳定、可靠的。人机界面采用彩色液晶屏，目前支持彩色液晶屏有两种，第一种是群创的彩色液晶屏型号是AT043TN24，另外一种是信利的，型号是TFT1P4527-EV1。液晶显示驱动是由 CPLD实现的，ARM把要显示的数据通过数据总线传给CPLD，CPLD先将数据缓存在RAM中，然后再从显示缓存中取的要显示的数据，通过行、列扫描输出到液晶上。其中显示缓存采用了 51 (字的RAM，完全可以满足显示的需要。在实际的运行中，系统可能会遭到各种各样的干扰，为了保证在干扰的环境中，系统软件可靠运行，设计了单独的外部看门狗电路。主要芯片为SP706SEN。正常工作时ARM 会定时喂狗，即输出电平脉冲信号给SP706SEN，如果在规定的时间内看门狗芯片没有收到喂狗信号，则强迫复位ARM芯片，程序自动重新运行，看门狗芯片同时还具有系统电源监视和异常复位功能。
权利要求1.一种人机界面自动保护显示装置，该装置的系统控制电路包括系统电源电路、硬件看门狗电路、CPU外部电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路、输入输出接口电路、液晶背光驱动电路，其特征在于所述CPU外部电路依次分别与系统电源电路、硬件看门狗电路、 输入输出接口电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路连接，所述CPU外部电路又与存储器接口电路连接，液晶背光驱动电路与液晶显示屏连接。
2.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述系统电源电路包括一个NCV1117-1. 8芯片、一个NCV1117-3. 3芯片和一个电感线圈构成。
3.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述存储器接口电路包括一个 SST39VF1601 芯片或 SST39VF3201 芯片，一个 ISL61LV25616 或 ISL61LVU816 芯片构成显示模板数据掉电不丢失的存储。
4.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述CPLD外部接线电路包括一个ISL61LV25616芯片或ISL61LV12816芯片构成显示数据的缓存和输出控制信号控制彩色液晶的显示。
5.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述硬件看门狗电路连接有一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。
6.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述液晶背光驱动电路连接有CAT4237芯片，该芯片控制彩色液晶的背光。
7.根据权利要求1所述的人机界面自动保护显示装置，其特征在于所述输入输出接口电路至少连接有8个输入按键、8个信号灯和一个蜂鸣器。
专利摘要本实用新型公开了人机界面自动保护显示装置，该装置的系统控制电路包括系统电源电路、硬件看门狗电路、CPU外部电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路、输入输出接口电路、液晶背光驱动电路，CPU外部电路依次分别与系统电源电路、硬件看门狗电路、输入输出接口电路、存储器接口电路、CPLD外部接线电路连接，所述CPU外部电路又与存储器接口电路连接，液晶背光驱动电路与液晶显示屏连接。具有结构简单，操作方便，彩色液晶显示，信息量大，方便直观的特点，人机界面采用大尺寸的彩色液晶屏，显示的信息量大，模板经过编译生成模板文件，通过下载软件存储到大容量的FLASH中。广泛用于电厂和各种变电站。
文档编号G05B19/042GK202177794SQ20112015703
公开日2012年3月28日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者吕开颜, 王强, 田风岐 申请人:西安丙坤电气有限公司