變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液晶顯示設(shè)計(jì)

李清泉，于群，馮知海，單才偉，陳晶

變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液晶顯示設(shè)計(jì)

李清泉，于群，馮知海，單才偉，陳晶

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590)

為了使工作人員深入了解變壓器的保護(hù)原理，加強(qiáng)對(duì)變壓器的保護(hù)工作，設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335+ STC12LE5A60S2的變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中TMS320F28335實(shí)時(shí)采集處理變壓器兩側(cè)的電壓電流信息，承擔(dān)計(jì)算、通信和控制開(kāi)入開(kāi)出等任務(wù)，STC12LE5A60S2則通過(guò)串口通信方式接收來(lái)自DSP的數(shù)據(jù)信息，并控制TFT液晶顯示模塊MD070SD進(jìn)行顯示。通過(guò)外部按鍵控制，可以使MD070SD顯示3種界面:定值整定界面、數(shù)據(jù)顯示界面和保護(hù)測(cè)試界面，同時(shí)將單純的文本顯示轉(zhuǎn)換成圖文并茂的形式，使得實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單形象，便于理解。本文給出了串口通信和液晶顯示的硬件控制電路，并對(duì)液晶模塊的3種顯示界面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。測(cè)試結(jié)果表明，該平臺(tái)能可靠實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和保護(hù)測(cè)試等功能，實(shí)時(shí)性好，可視性強(qiáng)。

變壓器微機(jī)保護(hù);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);MD070SD接口設(shè)計(jì);液晶背光調(diào)整

Key words:microprocessor-based transformer protection;experimental platform;interface design of MD070SD;adjustment of LCD backlight

1 引言

按照繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程GB14285-2006的規(guī)定，應(yīng)根據(jù)變壓器容量和電壓等級(jí)及其重要程度，裝設(shè)性能良好、動(dòng)作可靠的繼電保護(hù)裝置［1］。在微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置中，通常采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器DSP采集處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)保護(hù)算法，利用控制接口豐富的MCU完成液晶顯示和鍵盤控制等功能，以分擔(dān)DSP任務(wù)，提高系統(tǒng)的整體性能［2-5］。這類保護(hù)裝置的可靠性、速動(dòng)性、靈敏性和選擇性均滿足變壓器保護(hù)的要求，但是其液晶屏幕較小，顯示效果單一，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。為了使工作人員對(duì)變壓器保護(hù)的相關(guān)原理及保護(hù)裝置的動(dòng)作特性有深刻了解，本文以TI公司的DSP芯片TMS320F28335為保護(hù)CPU，以宏晶科技公司的STC12LE5A60S2為管理CPU，設(shè)計(jì)出一款變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在涵蓋了變壓器常規(guī)保護(hù)功能以外，充分利用TFT液晶顯示模塊MD070SD的顯示功能，將單調(diào)的文字顯示轉(zhuǎn)變成圖文并茂的形式，以便于工作人員充分理解變壓器保護(hù)的各種原理，加強(qiáng)對(duì)變壓器的保護(hù)工作。實(shí)驗(yàn)證明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在滿足變壓器保護(hù)要求的同時(shí)，還提供了非常友好的人機(jī)界面，將數(shù)據(jù)信息形象生動(dòng)的展示出來(lái)，十分直觀清晰，對(duì)現(xiàn)有的變壓器保護(hù)裝置的人機(jī)接口設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2 總體設(shè)計(jì)

本變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要由兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)組成:保護(hù)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。其中保護(hù)系統(tǒng)CPU采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并依據(jù)一定的算法和邏輯判斷進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，并將計(jì)算結(jié)果傳送給上位機(jī)和管理系統(tǒng)，當(dāng)滿足出口跳閘時(shí)，則控制開(kāi)關(guān)量輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部回路的控制。管理系統(tǒng)CPU采用STC公司的STC12LE5A60S2單片機(jī)，通過(guò)RS232通訊總線接收保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并在MD070SD上顯示。鍵盤控制模塊則可以根據(jù)工作人員的需求，實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)以及液晶的顯示方式，以方便工作人員使用，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體硬件框圖Fig．1Diagram of the experimental platform architecture

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，保護(hù)系統(tǒng)CPU TMS320F28335為單精度浮點(diǎn)DSP，主頻可達(dá)150 MHz，內(nèi)核電壓1．9 V，I/O電壓3．3 V;片上帶有256K×16位的Flash和34K×16位的SARAM;片上通訊端口豐富，集成3個(gè)SCI串口輸出通道，2個(gè)多通道McBSP串口，2個(gè)增強(qiáng)型CAN，1個(gè)SPI總線以及12位的2個(gè)8通道ADC等資源，為嵌入式工業(yè)應(yīng)用提供了更加優(yōu)秀的性能和更加簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)［6］。管理系統(tǒng)CPU STC12LE5A60S2為低電壓(2．2 V～3．6 V)工作的CPU，具備1個(gè)高速同步通信端口(SPI)、2個(gè)全雙工異步串行口(UART)、4個(gè)16位定時(shí)器以及36/40/44個(gè)通用I/O口，其通用I/O口可設(shè)置成4種工作模式:準(zhǔn)雙向口/弱上拉、強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻和開(kāi)漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20 mA。此外STC12LE5A60S2還具有在系統(tǒng)可編程(ISP)功能和在應(yīng)用可編程(IAP)功能，無(wú)需編程器和仿真器［7］。

TFT液晶顯示模塊為深圳市淘晶馳電子有限公司生產(chǎn)的7 in(1 in=2．54 cm)總線型彩屏模塊MD070SD。該模塊驅(qū)動(dòng)IC電壓為2．8 V～3.3 V，采用8080時(shí)序的16位并行總線接口，分辨率為800×480，顯示面板16M色彩。該模塊內(nèi)部采用CPLD+SDRAM方式驅(qū)動(dòng)RGB接口顯示屏，并提供10個(gè)實(shí)用寄存器。最少使用其中的5個(gè)寄存器指令便能使液晶正常顯示，大大簡(jiǎn)化了程序的代碼量，降低了程序的調(diào)試難度和出錯(cuò)機(jī)率。模塊內(nèi)部集成的8MB SDRAM對(duì)應(yīng)8頁(yè)顯存，通過(guò)設(shè)置顯示頁(yè)寄存器和讀寫頁(yè)寄存器，使當(dāng)前顯示頁(yè)和讀寫頁(yè)不同，以實(shí)現(xiàn)后臺(tái)寫數(shù)據(jù)，達(dá)到整頁(yè)快速切換的效果。此外，MD070SD還省去了一般的TFT控制器所需要的煩瑣的初始化代碼，僅僅需要做一次復(fù)位操作就可以工作，響應(yīng)速度很快，能達(dá)到200 ns的讀寫周期，最快實(shí)現(xiàn)13楨的滿屏刷新速度。該液晶模塊工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，完全排除了死機(jī)白屏的風(fēng)險(xiǎn)，廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)交流控制面板。

3 雙機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

TMS320F28335包括串行通信接口SCI和串行外設(shè)接口SPI，這兩種接口均能夠?qū)崿F(xiàn)多CPU之間的數(shù)據(jù)通信。其中SCI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸零(NRZ)的數(shù)據(jù)格式，只需要兩個(gè)I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即SCITXD(SCI發(fā)送輸出引腳)和SCIRXD(SCI接收輸入引腳)?？紤]到STC單片機(jī)多使用異步串行通信方式，硬件電路簡(jiǎn)單，并且軟件編寫簡(jiǎn)便，故選擇串行通信接口SCI［8］。

圖2 DSP與MCU的串行通信連接圖Fig．2Diagram of the serial communication between DSP and MCU

由于低電壓工作的STC12LE5A60S2單片機(jī)工作電源采用3．3 V，所以其I/O口信號(hào)電平與TMS320F28335一致，兩者可以直接相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是為了增加通信距離并排除外界干擾，增加了低電壓工作的MAX3232器件。該器件片內(nèi)具有2個(gè)發(fā)送器和2個(gè)接收器，正好可以實(shí)現(xiàn)TMS320F28335和STC12LE5A60S2單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互，其具體電路連接圖如圖2所示。同時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)與PC機(jī)通信的問(wèn)題，還增加了2個(gè)DB9器件(圖2未畫出)，通過(guò)分時(shí)復(fù)用MAX3232器件，分別實(shí)現(xiàn)TMS320F28335和STC12LE5A60S2單片機(jī)與上位機(jī)的通信，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

4 液晶模塊接口電路的實(shí)現(xiàn)

除液晶背光驅(qū)動(dòng)電源為5 V(VCC2)外，STC12LE5A60S2單片機(jī)和TFT液晶模塊MD070SD均采用3．3 V(VCC和VCC1)供電，所以其引腳電平一致，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體電路連接圖如圖3所示。其中STC12LE5A60S2單片機(jī)的P0口(外接10K上拉電阻)和P2口分別連接MD070SD的低八位和高八位數(shù)據(jù)總線，以實(shí)現(xiàn)16位總線的并行傳輸。此外，利用P3．5控制液晶模塊顯示數(shù)據(jù)或指令，利用P3．6控制讀數(shù)據(jù)，P3．7控制寫數(shù)據(jù)，利用P1．0控制液晶模塊的使能信號(hào)，利用P1．2控制液晶模塊進(jìn)行復(fù)位操作，具體操作過(guò)程為:先拉低電平，持續(xù)20 ms;再拉高電平，持續(xù)20 ms。

圖3 液晶模塊與MCU連接圖Fig．2Diagram of LCD module and MCU connection

同時(shí)，為了降低功耗，節(jié)約電能，對(duì)于液晶背光的控制，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沿用了目前通用的背光可關(guān)斷原理:當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(時(shí)間可調(diào))不操作鍵盤時(shí)，液晶背光自動(dòng)關(guān)閉;當(dāng)在液晶背光關(guān)閉的情況下操作按鍵或者出現(xiàn)告警信息時(shí)，背光自動(dòng)打開(kāi)［7］。除此之外，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還充分利用MD070SD的PWM背光調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)0～16級(jí)背光強(qiáng)度的控制，即通過(guò)鍵盤將背光值寫進(jìn)背光控制寄存器來(lái)改變當(dāng)前背光強(qiáng)度。而且，鍵盤控制模塊還可以整定MD070SD的背景色和畫筆色，使得本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可滿足不同人群在不同環(huán)境下的使用需求，保護(hù)了工作人員的視力，人性化程度更好。

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)外部按鍵控制，可以使液晶模塊MD070SD顯示3種界面:定值整定界面、數(shù)據(jù)顯示界面和保護(hù)測(cè)試界面。

對(duì)于定值整定界面，主要是通過(guò)鍵盤控制，調(diào)整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)，如調(diào)整RTC時(shí)鐘、調(diào)整背光強(qiáng)度及背光時(shí)間、保護(hù)投退以及保護(hù)定值的修改等等。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯示界面Fig．4Display interface of the experimental platform

對(duì)于數(shù)據(jù)顯示界面，主要顯示變壓器接線方式、差動(dòng)電流、制動(dòng)電流等，力求最大程度的將同類型相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)顯示在同一界面上，以便于工作人員對(duì)比理解。其中，與變壓器差動(dòng)保護(hù)有關(guān)的數(shù)據(jù)顯示如圖4所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先在定值整定界面，按表1中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后使用3路測(cè)試儀進(jìn)行分相測(cè)試，此時(shí)所有保護(hù)均退出。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用軟件采取Y-d變化進(jìn)行相位調(diào)整，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)采取圖5所示的實(shí)驗(yàn)接線，以抵消對(duì)非試驗(yàn)相造成的干擾。同時(shí)將測(cè)試儀Ia和Ic的輸出電流分別調(diào)整為1．732 A和1 A，角度均為0°，Ib輸出為0。

表1 測(cè)試參數(shù)設(shè)置Tab．1Settings of test parameters

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試接線圖Fig．5Diagram of test wiring

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試界面Fig．6Testing interface of the experimental platform

對(duì)于保護(hù)測(cè)試界面，以差動(dòng)保護(hù)邊界測(cè)試為例，實(shí)際測(cè)試效果如圖6所示。首先在定值整定界面，按表2中的數(shù)據(jù)對(duì)差動(dòng)保護(hù)及其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為避免干擾，其他保護(hù)均退出。當(dāng)參數(shù)設(shè)置完畢，將在比率差動(dòng)特性曲線測(cè)試區(qū)域顯示設(shè)置的3折線圖，如圖6中比率差動(dòng)特性曲線測(cè)試區(qū)域中虛線所示。

表2 差動(dòng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置Tab．2Parameters of differential protection

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，還應(yīng)設(shè)置制動(dòng)電流的變化區(qū)間(如0．5～7．5)和變化步長(zhǎng)(如0．5)以及測(cè)試精度(如0．01);差動(dòng)電流的的變化區(qū)間應(yīng)包含比率特性曲線的最大值，即差動(dòng)速斷定值(如0～3．5)。這樣當(dāng)制動(dòng)電流確定時(shí)，根據(jù)差動(dòng)電流為其變化區(qū)間的兩端點(diǎn)值時(shí)的繼電器的動(dòng)作情況，利用二分法尋找根節(jié)點(diǎn)的原理，逐步二分差動(dòng)電流變化區(qū)間，直到滿足測(cè)試精度，并記錄下最終的動(dòng)作值和相應(yīng)的制動(dòng)電流，然后計(jì)算出比率制動(dòng)系數(shù)。

對(duì)于比率差動(dòng)特性曲線的繪制則采用描點(diǎn)作圖法。由于TFT液晶模塊只支持整數(shù)坐標(biāo)，所以將所測(cè)點(diǎn)的X值(制動(dòng)電流)擴(kuò)大30倍，Y值(動(dòng)作電流)擴(kuò)大100倍，然后取整。當(dāng)測(cè)出動(dòng)作電流后，按照上述原則對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，然后在相鄰兩點(diǎn)之間繪制直線，最終得到測(cè)試的比率差動(dòng)特性曲線，如圖6比率差動(dòng)特性曲線測(cè)試區(qū)域中點(diǎn)實(shí)線所示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的利用TMS320F28335處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法，利用STC12LE5A60S2單片機(jī)控制液晶和鍵盤操作的變壓器微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，依靠簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了變壓器的保護(hù)功能，并具有非常人性化的人機(jī)交互界面，滿足了工作人員以及高校學(xué)生利用該平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)的需求。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該平臺(tái)數(shù)據(jù)通訊正常，液晶顯示穩(wěn)定，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的人機(jī)界面設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值。

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Design of liquid crystal display for experimental platform about transformer protection based on microprocessor

LI Qing-quan，YU Qun，F(xiàn)ENG Zhi-hai，SHAN Cai-wei，Chen Jing
(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

The design of the experimental platform about microprocessor-based transformer protection is based on TMS320F28335 and STC12LE5A60S2 in order to make the staff to understand the principles of transformer protection deeply and strengthen the work of transformers’protection．The TMS320F28335 acquires and processes the real-time data about voltage and current of both sides of the transformer，undertaking the tasks of calculation，communication and controlling the switch quantity．The STC12LE5A60S2 receives data from the DSP through the serial communication and controls TFT LCD module MD070SD．The MD070SD can be controlled to show 3 kinds of interfaces:setting interface/data display interface and the protection test interface through an external button．This paper presents the hardware control circuit both of the serial communication and the liquid crystal display，and gives a detailed account of the LCD module’s 3 display interfaces．Results of the tests show that the platform can achieve the function of data display and protection test reliably，its realtime and visibility can meet the display requirements of the protection equipments for transformer．

TN141

A

10．3788/YJYXS20153004．0641

李清泉(1991－)，男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究。E-mail:Lingquan0513 @163．com

于群(1970－)，男，山東淄博人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制等方面的研究。E-mail:yunqun_70@163．com

1007-2780(2015)04-0641-06

2014-12-23;

2015-01-15．

國(guó)家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)(No．SGCC-MPLG001-2012);山東科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(No．JG201207)

*通信聯(lián)系人，E-mail:liqingquan0513@163．com