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1變頻器人機接口的硬件電路設計

變頻器人機接口的硬件電路部分由鍵盤模塊、串并行轉換芯片和顯示電路以及參數存儲電路組成。用來完成進行數據輸入，參數設定、數據交換、選擇顯示信息、菜單選擇、實時監測數據查看的操作等，在軟件上對鍵盤和LED數碼管組合進行動態掃描管理按鍵的輸入和數據的輸出顯示。本文中所設計的系統所采用的操作面板的布局設計如圖2所示。鍵盤采用8個常開按鈕一端接地，另一端通過MC74HC165N芯片與DSP連接，當按鈕開關Kn（n＝1－8）按下時，＋5V電源通過電阻后接地，則左端芯片MC74HC165N所對應的引腳接收到的是低電平，當按鈕開關Kn（n＝1－8）沒有按下時，＋5V電源通過電阻直接連接在芯片上，其所對應的引腳接收到的是高電平。MC74HC165N是可在末級得到互斥的串行輸出，當并行讀取信號引腳輸入為低時，從A到H口輸入的并行數據將被異步讀取進DSP。而當并行讀取信號引腳輸入為高時，數據將從輸入端串行進入寄存器，在每個時鐘脈沖的上升沿向右移動一位。這樣只需要一根時鐘線，一根數據線和一個并行輸入控制線就可以了，接收八個按鍵的信息，僅用了DSP的3個引腳，不然需要用DSP的8個引腳，這樣會浪費DSP的硬件資源。24LC08是帶有串行I2C總線接口的EEPROM存儲器［10］，用來存儲變頻器的一些設置值和狀態參數，人機接口系統通常要從中取出一些數據顯示，或在鍵盤子程序的控制下，將一些數據寫入保存。電路連接如圖3所示。控制面板能夠為變頻器用戶提供人機操作界面，面板帶有不同的功能按鍵和指示燈，幫助用戶實現啟動、停止、轉換方向，參數設定以及實時信息查詢等功能。控制面板包括了由數碼管組成的顯示屏，LED指示燈，8個功能按鍵組成，功能包括參數設定與修改，電機控制命令組，實時信息顯示等，DSP不斷對按鍵模塊進行掃描，接收到的按鍵值經過比對，再執行程序中儲存的對應功能函數，達到所要的執行效果。所設計的相關按鍵對應的功能如表1所示。當執行具體功能時，相應指示燈亮。指示燈和對應的指示功能如表2所示。顯示系統是由四位數碼管與6個LED燈結合在一起完成顯示工作，通過串行動態掃描方式實現顯示。用一片74HC595控制段選碼輸出，用另一片74HC595控制位選碼出，實現數碼管的動態掃描控制［11］。顯示部分的電路連接圖如圖4所示。圖中電阻起限流作用，保護發光二極管，電阻值越小，發光二極管越亮。顯示的控制電路使用芯片MC54HC595AJ主要功能是將串行輸入的8位數字，轉變為并行輸出的8位數字，MC54HC595AJ是硅結構的CMOS器件，具有三態輸出功能，一個存儲器和8位移位寄存器。該芯片有存儲狀態寄存器，8位串行輸入，8位并行或串行輸出這三種狀態。在使用中，必須注意時鐘信號和移位信號的配合。數據在SFTCLK（引腳11）的上升沿輸入，在LCHCLK（引腳12）的上升沿數據進入到相應的寄存器中去。存儲寄存器在結構上有一個并行的8位的具備三態輸出的總線，當使能OE時（為低電平），數據將會輸出到總線。

2軟件設計

在鍵盤的管理中，需要解決最基本的三個問題：是否有鍵按下、按鍵抖動去除和鍵值獲取問題。另外，在數據輸入和數據顯示輸出時由于有串行和并行之間的相互轉化，因此必須注意在軟件的編寫中，時鐘信號和移位信號之間的配合。各級菜單的實現，每級菜單可以看做一組數組元素，用結構體來描述：在這里，為了提高微處理器的指令執行效率，并確保正確檢測按鍵值，消除抖動只能依靠軟件進行，因此在按鍵管理中，使用了定時器中斷方式［12］，定時器中斷程序每隔一定時間檢測一下按鍵的狀態，并將按鍵返回值存入緩沖區，當檢測到按鍵釋放后，設立一個關于該按鍵的標記，在主程序循環中檢測到這個按鍵標記就知道該鍵按下，定時器約十毫秒的檢測間隔可有效的濾除按鍵的抖動，實現鍵盤的去抖、鍵值獲取以及對按鍵時間的長、短識別。鍵盤管理和掃描流程圖如圖5所示。在數碼管顯示輸出的軟件設計上，利用數碼管的動態掃描控制，可以使不同位數碼管得到將要顯示的字符。數碼管不同位顯示的時間間隔可以通過調整延時程序的延時長短來完成。在調整顯示的時間間隔時，即要考慮到顯示時數碼管的亮度，又要數碼管在顯示時不產生閃爍現象。它需要段碼和位碼的配合。

3實現人機交互的過程

人機交互的實現過程在于DSP根據按鍵輸入的信息，對所對應的按鍵處理函數進行調用，然后依據顯示程序用數碼管進行顯示，以此來完成變頻器實時狀態和故障等提示信息的顯示。變頻器在通電情況下，不管運行與否，數碼管都將顯示相應的信息，界面實時顯示的有輸出頻率、實時電流電壓和故障類型提示等顯示內容。短按S6鍵，變頻器開始運行，短按S1，進入控制面板的一級菜單，長按S1，則返回上一級菜單S3和S4分別為在相應的菜單內設定數值的加和減，通過短按或者長按這兩個鍵的方式對數據進行單步增減或連續快速增減，按下S2，對應數值或者參數保存；在變頻器運行時，按下S5則依次顯示變頻器的實時監測數值，在修改參數時，該鍵表示可選擇參數的修改位；在變頻器運行或者發生故障時，按下S7，變頻器減速停車，故障報警狀態時，可用該鍵來復位故障；按下S8則表示變頻器的正反轉切換；S7＋S6組合，當運行和減速停車同時被按下時，變頻器自由停機。

4試驗結果與分析

選擇優化改進鍵盤按鍵線路的方式進行電路的優化，采用八只常開按鈕組成的控制面板鍵盤；采用四位數碼管進行輸出顯示。在數據輸入與輸出過程中采用串并行的相互轉換，達到了節約DSP硬件資源的目的。以最簡潔的操作實現其預期的相關功能，并在功能實現的同時將相關數據在數碼管上顯示出來。在設計中雖然僅用了7個DSP引腳用于輸入和輸出顯示，但卻可以控制6個LED狀態指示燈、檢測8個按鍵的輸入、四位7段的數碼管和4個數碼管的控制位，極大程度上節約了DSP硬件資源的開銷。試驗結果表明：硬件符合實際應用需求，保證了鍵盤的工作效率，節約了DSP的硬件端口資源，提高了DSP端口的使用效率。界面設計使得人機交互界面友好，可操作性強，同時增強了電路的可靠性。

作者：孫俊奇 任曉明 單位：上海電機學院 電氣學院