變壓器微機保護實驗平臺的液晶顯示設(shè)計

李清泉，于群，馮知海，單才偉，陳晶

變壓器微機保護實驗平臺的液晶顯示設(shè)計

李清泉，于群，馮知海，單才偉，陳晶

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590)

為了使工作人員深入了解變壓器的保護原理，加強對變壓器的保護工作，設(shè)計了基于TMS320F28335+ STC12LE5A60S2的變壓器微機保護實驗平臺，其中TMS320F28335實時采集處理變壓器兩側(cè)的電壓電流信息，承擔計算、通信和控制開入開出等任務，STC12LE5A60S2則通過串口通信方式接收來自DSP的數(shù)據(jù)信息，并控制TFT液晶顯示模塊MD070SD進行顯示。通過外部按鍵控制，可以使MD070SD顯示3種界面:定值整定界面、數(shù)據(jù)顯示界面和保護測試界面，同時將單純的文本顯示轉(zhuǎn)換成圖文并茂的形式，使得實驗原理簡單形象，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，并對液晶模塊的3種顯示界面進行了詳細說明。測試結(jié)果表明，該平臺能可靠實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和保護測試等功能，實時性好，可視性強。

變壓器微機保護;實驗平臺;MD070SD接口設(shè)計;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

按照繼電保護技術(shù)規(guī)程GB14285-2006的規(guī)定，應根據(jù)變壓器容量和電壓等級及其重要程度，裝設(shè)性能良好、動作可靠的繼電保護裝置［1］。在微機型變壓器保護裝置中，通常采用高性能的數(shù)字信號處理器DSP采集處理實時數(shù)據(jù)并實現(xiàn)相關(guān)保護算法，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DSP任務，提高系統(tǒng)的整體性能［2-5］。這類保護裝置的可靠性、速動性、靈敏性和選擇性均滿足變壓器保護的要求，但是其液晶屏幕較小，顯示效果單一，不利于實驗教學使用。為了使工作人員對變壓器保護的相關(guān)原理及保護裝置的動作特性有深刻了解，本文以TI公司的DSP芯片TMS320F28335為保護CPU，以宏晶科技公司的STC12LE5A60S2為管理CPU，設(shè)計出一款變壓器微機保護實驗平臺。該實驗平臺在涵蓋了變壓器常規(guī)保護功能以外，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的各種原理，加強對變壓器的保護工作。實驗證明該實驗平臺在滿足變壓器保護要求的同時，還提供了非常友好的人機界面，將數(shù)據(jù)信息形象生動的展示出來，十分直觀清晰，對現(xiàn)有的變壓器保護裝置的人機接口設(shè)計具有一定的參考價值。

2 總體設(shè)計

本變壓器微機保護實驗平臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要由兩個獨立系統(tǒng)組成:保護系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。其中保護系統(tǒng)CPU采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335，對采集到的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并依據(jù)一定的算法和邏輯判斷進行實時分析處理，并將計算結(jié)果傳送給上位機和管理系統(tǒng)，當滿足出口跳閘時，則控制開關(guān)量輸出，實現(xiàn)對外部回路的控制。管理系統(tǒng)CPU采用STC公司的STC12LE5A60S2單片機，通過RS232通訊總線接收保護系統(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，實時調(diào)整實驗平臺的運行參數(shù)以及液晶的顯示方式，以方便工作人員使用，實現(xiàn)良好的人機交互功能。

圖1 實驗平臺總體硬件框圖Fig．1Diagram of the experimental platform architecture

在該實驗平臺中，保護系統(tǒng)CPU TMS320F28335為單精度浮點DSP，主頻可達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SCI串口輸出通道，2個多通道McBSP串口，2個增強型CAN，1個SPI總線以及12位的2個8通道ADC等資源，為嵌入式工業(yè)應用提供了更加優(yōu)秀的性能和更加簡單的軟件設(shè)計［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個高速同步通信端口(SPI)、2個全雙工異步串行口(UART)、4個16位定時器以及36/40/44個通用I/O口，其通用I/O口可設(shè)置成4種工作模式:準雙向口/弱上拉、強推挽/強上拉、僅為輸入/高阻和開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20 mA。此外STC12LE5A60S2還具有在系統(tǒng)可編程(ISP)功能和在應用可編程(IAP)功能，無需編程器和仿真器［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IC電壓為2．8 V～3.3 V，采用8080時序的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RGB接口顯示屏，并提供10個實用寄存器。最少使用其中的5個寄存器指令便能使液晶正常顯示，大大簡化了程序的代碼量，降低了程序的調(diào)試難度和出錯機率。模塊內(nèi)部集成的8MB SDRAM對應8頁顯存，通過設(shè)置顯示頁寄存器和讀寫頁寄存器，使當前顯示頁和讀寫頁不同，以實現(xiàn)后臺寫數(shù)據(jù)，達到整頁快速切換的效果。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，僅僅需要做一次復位操作就可以工作，響應速度很快，能達到200 ns的讀寫周期，最快實現(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，完全排除了死機白屏的風險，廣泛應用于各種人機交流控制面板。

3 雙機通信的實現(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模塊采用標準非歸零(NRZ)的數(shù)據(jù)格式，只需要兩個I/O口進行數(shù)據(jù)傳輸，即SCITXD(SCI發(fā)送輸出引腳)和SCIRXD(SCI接收輸入引腳)。考慮到STC單片機多使用異步串行通信方式，硬件電路簡單，并且軟件編寫簡便，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單片機工作電源采用3．3 V，所以其I/O口信號電平與TMS320F28335一致，兩者可以直接相連進行數(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個發(fā)送器和2個接收器，正好可以實現(xiàn)TMS320F28335和STC12LE5A60S2單片機的數(shù)據(jù)交互，其具體電路連接圖如圖2所示。同時，考慮到實驗時與PC機通信的問題，還增加了2個DB9器件(圖2未畫出)，通過分時復用MAX3232器件，分別實現(xiàn)TMS320F28335和STC12LE5A60S2單片機與上位機的通信，降低了硬件設(shè)計的復雜度。

4 液晶模塊接口電路的實現(xiàn)

除液晶背光驅(qū)動電源為5 V(VCC2)外，STC12LE5A60S2單片機和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，利用P1．2控制液晶模塊進行復位操作，具體操作過程為: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，為了降低功耗，節(jié)約電能，對于液晶背光的控制，本實驗平臺沿用了目前通用的背光可關(guān)斷原理:當長時間(時間可調(diào))不操作鍵盤時，液晶背光自動關(guān)閉;當在液晶背光關(guān)閉的情況下操作按鍵或者出現(xiàn)告警信息時，背光自動打開［7］。除此之外，本實驗平臺還充分利用MD070SD的PWM背光調(diào)整功能，實現(xiàn)0～16級背光強度的控制，即通過鍵盤將背光值寫進背光控制寄存器來改變當前背光強度。而且，鍵盤控制模塊還可以整定MD070SD的背景色和畫筆色，使得本實驗平臺可滿足不同人群在不同環(huán)境下的使用需求，保護了工作人員的視力，人性化程度更好。

5 實驗平臺的實現(xiàn)

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

對于定值整定界面，主要是通過鍵盤控制，調(diào)整實驗平臺的運行參數(shù)，如調(diào)整RTC時鐘、調(diào)整背光強度及背光時間、保護投退以及保護定值的修改等等。

圖4 實驗平臺顯示界面Fig．4Display interface of the experimental platform

對于數(shù)據(jù)顯示界面，主要顯示變壓器接線方式、差動電流、制動電流等，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，以便于工作人員對比理解。其中，與變壓器差動保護有關(guān)的數(shù)據(jù)顯示如圖4所示。實驗時首先在定值整定界面，按表1中的參數(shù)進行設(shè)定，然后使用3路測試儀進行分相測試，此時所有保護均退出。由于實驗平臺利用軟件采取Y-d變化進行相位調(diào)整，所以實驗時采取圖5所示的實驗接線，以抵消對非試驗相造成的干擾。同時將測試儀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 測試參數(shù)設(shè)置Tab．1Settings of test parameters

圖5 實驗測試接線圖Fig．5Diagram of test wiring

圖6 實驗平臺測試界面Fig．6Testing interface of the experimental platform

對于保護測試界面，以差動保護邊界測試為例，實際測試效果如圖6所示。首先在定值整定界面，按表2中的數(shù)據(jù)對差動保護及其他參數(shù)進行設(shè)定，為避免干擾，其他保護均退出。當參數(shù)設(shè)置完畢，將在比率差動特性曲線測試區(qū)域顯示設(shè)置的3折線圖，如圖6中比率差動特性曲線測試區(qū)域中虛線所示。

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

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

對于比率差動特性曲線的繪制則采用描點作圖法。由于TFT液晶模塊只支持整數(shù)坐標，所以將所測點的X值(制動電流)擴大30倍，Y值(動作電流)擴大100倍，然后取整。當測出動作電流后，按照上述原則對坐標進行轉(zhuǎn)化，然后在相鄰兩點之間繪制直線，最終得到測試的比率差動特性曲線，如圖6比率差動特性曲線測試區(qū)域中點實線所示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的利用TMS320F28335處理實時數(shù)據(jù)和實現(xiàn)保護算法，利用STC12LE5A60S2單片機控制液晶和鍵盤操作的變壓器微機保護實驗平臺，依靠簡單的硬件設(shè)計實現(xiàn)了變壓器的保護功能，并具有非常人性化的人機交互界面，滿足了工作人員以及高校學生利用該平臺進行測試實驗的需求。經(jīng)實際測試驗證，該平臺數(shù)據(jù)通訊正常，液晶顯示穩(wěn)定，對相關(guān)產(chǎn)品的人機界面設(shè)計具有一定的實用價值和參考價值。

［1］賀家李，李永麗，董新洲，等．電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］．北京:中國電力出版社，2010．

He J L，Li Y L，Dong X Z，et al．Principle of Power System Protection［M］．Beijing:China Electric Power Press，2010．(in Chinese)

［2］于群，曹娜．電力系統(tǒng)微機繼電保護［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

Yu Q，Cao N．Microcomputer Relay Protection of Power System［M］．Beijing:China Machine Press，2010．(in Chinese)

［3］李彥麗．基于DSP的變壓器差動保護裝置的研究［D］．天津:河北工業(yè)大學，2007．

Li Y L．The Study on differential protection device for transformers［D］．Tianjin:Hebei University of Technology，2007．(in Chinese)

［4］任婷會．基于DSP的微機變壓器保護裝置的研究［D］．蘭州:蘭州理工大學，2007．

Ren T H．Researeh on digital protection deviee of power transformer Base on DSP［D］．Lanzhou:Lanzhou University of Technology，2007．(in Chinese)

［5］張雪松．數(shù)字式變壓器差動保護若干問題研究［D］．杭州:浙江大學，2006．

Zhang X S．Researeh on digital differential protectionfor power transformer［D］．Hangzhou:Zhejiang University，2006．(in Chinese)

［6］劉陵順，高艷麗，張樹團，等．TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2014．

Liu L S，Gao Y L，Zhang S T，et al．TMS320F28335 DSP Principle and Development Programming［M］．Beijing:Beihang University Press，2014．(in Chinese)

［7］潘衛(wèi)衛(wèi)，鄭常寶，高杰，等．光伏控制逆變一體機的人機接口模塊設(shè)計［J］．液晶與顯示，2014，29(6):963-968．

Pan W W，Zheng C B，Gao J，et al．Design of human-machine interface module of PV control and inverter integrated vehicle［J］．Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2014，29(6):963-968．(in Chinese)

［8］吳雄英，秦開宇，謝興紅．DSP與單片機之間串行通信的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．計算機工程與科學，2009，31(5):132-136．

Wu X Y，Qin K Y，Xie X H．Design and implementation of the serial communication between the microcontroller and the DSP［J］．Computer Engineering and Science，2009，31(5):132-136．(in Chinese)

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

于群(1970－)，男，山東淄博人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護、電力系統(tǒng)運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．

國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(No．SGCC-MPLG001-2012);山東科技大學教學改革項目(No．JG201207)

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