变频器控制人机交互接口设计范文

1变频器人机接口的硬件电路设计

变频器人机接口的硬件电路部分由键盘模块、串并行转换芯片和显示电路以及参数存储电路组成。用来完成进行数据输入，参数设定、数据交换、选择显示信息、菜单选择、实时监测数据查看的操作等，在软件上对键盘和LED数码管组合进行动态扫描管理按键的输入和数据的输出显示。本文中所设计的系统所采用的操作面板的布局设计如图2所示。键盘采用8个常开按钮一端接地，另一端通过MC74HC165N芯片与DSP连接，当按钮开关Kn（n＝1－8）按下时，＋5V电源通过电阻后接地，则左端芯片MC74HC165N所对应的引脚接收到的是低电平，当按钮开关Kn（n＝1－8）没有按下时，＋5V电源通过电阻直接连接在芯片上，其所对应的引脚接收到的是高电平。MC74HC165N是可在末级得到互斥的串行输出，当并行读取信号引脚输入为低时，从A到H口输入的并行数据将被异步读取进DSP。而当并行读取信号引脚输入为高时，数据将从输入端串行进入寄存器，在每个时钟脉冲的上升沿向右移动一位。这样只需要一根时钟线，一根数据线和一个并行输入控制线就可以了，接收八个按键的信息，仅用了DSP的3个引脚，不然需要用DSP的8个引脚，这样会浪费DSP的硬件资源。24LC08是带有串行I2C总线接口的EEPROM存储器［10］，用来存储变频器的一些设置值和状态参数，人机接口系统通常要从中取出一些数据显示，或在键盘子程序的控制下，将一些数据写入保存。电路连接如图3所示。控制面板能够为变频器用户提供人机操作界面，面板带有不同的功能按键和指示灯，帮助用户实现启动、停止、转换方向，参数设定以及实时信息查询等功能。控制面板包括了由数码管组成的显示屏，LED指示灯，8个功能按键组成，功能包括参数设定与修改，电机控制命令组，实时信息显示等，DSP不断对按键模块进行扫描，接收到的按键值经过比对，再执行程序中储存的对应功能函数，达到所要的执行效果。所设计的相关按键对应的功能如表1所示。当执行具体功能时，相应指示灯亮。指示灯和对应的指示功能如表2所示。显示系统是由四位数码管与6个LED灯结合在一起完成显示工作，通过串行动态扫描方式实现显示。用一片74HC595控制段选码输出，用另一片74HC595控制位选码出，实现数码管的动态扫描控制［11］。显示部分的电路连接图如图4所示。图中电阻起限流作用，保护发光二极管，电阻值越小，发光二极管越亮。显示的控制电路使用芯片MC54HC595AJ主要功能是将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，MC54HC595AJ是硅结构的CMOS器件，具有三态输出功能，一个存储器和8位移位寄存器。该芯片有存储状态寄存器，8位串行输入，8位并行或串行输出这三种状态。在使用中，必须注意时钟信号和移位信号的配合。数据在SFTCLK（引脚11）的上升沿输入，在LCHCLK（引脚12）的上升沿数据进入到相应的寄存器中去。存储寄存器在结构上有一个并行的8位的具备三态输出的总线，当使能OE时（为低电平），数据将会输出到总线。

2软件设计

在键盘的管理中，需要解决最基本的三个问题：是否有键按下、按键抖动去除和键值获取问题。另外，在数据输入和数据显示输出时由于有串行和并行之间的相互转化，因此必须注意在软件的编写中，时钟信号和移位信号之间的配合。各级菜单的实现，每级菜单可以看做一组数组元素，用结构体来描述：在这里，为了提高微处理器的指令执行效率，并确保正确检测按键值，消除抖动只能依靠软件进行，因此在按键管理中，使用了定时器中断方式［12］，定时器中断程序每隔一定时间检测一下按键的状态，并将按键返回值存入缓冲区，当检测到按键释放后，设立一个关于该按键的标记，在主程序循环中检测到这个按键标记就知道该键按下，定时器约十毫秒的检测间隔可有效的滤除按键的抖动，实现键盘的去抖、键值获取以及对按键时间的长、短识别。键盘管理和扫描流程图如图5所示。在数码管显示输出的软件设计上，利用数码管的动态扫描控制，可以使不同位数码管得到将要显示的字符。数码管不同位显示的时间间隔可以通过调整延时程序的延时长短来完成。在调整显示的时间间隔时，即要考虑到显示时数码管的亮度，又要数码管在显示时不产生闪烁现象。它需要段码和位码的配合。

3实现人机交互的过程

人机交互的实现过程在于DSP根据按键输入的信息，对所对应的按键处理函数进行调用，然后依据显示程序用数码管进行显示，以此来完成变频器实时状态和故障等提示信息的显示。变频器在通电情况下，不管运行与否，数码管都将显示相应的信息，界面实时显示的有输出频率、实时电流电压和故障类型提示等显示内容。短按S6键，变频器开始运行，短按S1，进入控制面板的一级菜单，长按S1，则返回上一级菜单S3和S4分别为在相应的菜单内设定数值的加和减，通过短按或者长按这两个键的方式对数据进行单步增减或连续快速增减，按下S2，对应数值或者参数保存；在变频器运行时，按下S5则依次显示变频器的实时监测数值，在修改参数时，该键表示可选择参数的修改位；在变频器运行或者发生故障时，按下S7，变频器减速停车，故障报警状态时，可用该键来复位故障；按下S8则表示变频器的正反转切换；S7＋S6组合，当运行和减速停车同时被按下时，变频器自由停机。

4试验结果与分析

选择优化改进键盘按键线路的方式进行电路的优化，采用八只常开按钮组成的控制面板键盘；采用四位数码管进行输出显示。在数据输入与输出过程中采用串并行的相互转换，达到了节约DSP硬件资源的目的。以最简洁的操作实现其预期的相关功能，并在功能实现的同时将相关数据在数码管上显示出来。在设计中虽然仅用了7个DSP引脚用于输入和输出显示，但却可以控制6个LED状态指示灯、检测8个按键的输入、四位7段的数码管和4个数码管的控制位，极大程度上节约了DSP硬件资源的开销。试验结果表明：硬件符合实际应用需求，保证了键盘的工作效率，节约了DSP的硬件端口资源，提高了DSP端口的使用效率。界面设计使得人机交互界面友好，可操作性强，同时增强了电路的可靠性。

作者：孙俊奇 任晓明 单位：上海电机学院 电气学院