1操作面板的功能
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，帮助用户实现电机的启停、转向、参数设置、信息查询等远程操作。如1所示：控制面板由显示屏、指示灯、功能键和电位器组成，显示屏由4个八段LED组成。功能键包括：运行键、停止键、上升键、下降键、移动键、编程键、正反键、确认键。运行键用于电机的启动运行；停止键用于电机的停车、故障复位以及参数停止修改等功能；正反键用于控制电机的正反转；移动键可以使显示屏循环显示频率、电流、电压、用户参数1、用户参数2等运行参数的大小，并在参数修改时可实现参数显示闪动位置移动（用户参数1、用户参数2可根据设定满足不同需求的参数显示，如要求显示功率及速度）；确认键在参数修改时可作为参数确认；编程键实现进入参数编辑状态；上升／下降键用于参数代码和参数数值的加减；电位器用于设定电动机的转速模拟量给定。这些键配合使用，可完成控制变频器的各种功能，指示灯则表明当前的状态。
2硬件设计
操作面板以PIC16C73单片机为核心，主要包括键盘，数码与指示灯显示、SPI通讯、A／D及等几部分组成，其结构如2所示。
键盘与显示模块由四个LED数码管及12个指示灯组成，采用软件编程进行逐位扫描实现动态显示与键盘识别，简化了硬件结构。单片机与由DSP实现的通用变频器的通信是结构的关键，由于DSP的串行通讯接口SCI设计成与上位机通信，实现波形显示及群控功能，因而，与单片机的通信采用串行外设接口SPI.SPI是一个高速、同步串行I／O口。SPI由于属于短距离通信方式，因此必须要有驱动电路。设计中将串行数据转换为RS－485总线结构，这种总线标准能以1MBPS速率传输数据，如适当降低传输速率，其传输距离可增加数倍。实现转换RS－485的器件有75174和75175。如3所示：
74174为串行信号转为差分信号，75175为差分信号转为串行信号，利用75174和75175组成一对可实现串行通信数据转换为RS－485信号传输，满足远距离通信的需求。
3通讯方式及协议
单片机与dsp实现的通用变频器之间的通信协议要完成状态信息的传输、参数的修改与保存及运行参数的显示等功能。由于采用串行外设接口SPI方式，有主控制模式和从控制模式，数据都是在SPICLK的一个边沿移出移位寄存器，并在相对的另一个边沿锁存到寄存器。因此，两个控制器可同时发送和接收数据。应用软件决定数据发送和接收的真伪，发送时不接收数据，接收数据时不发送数据。
4为一组数据的格式，每一组数据为16个字节，第一个字节STX为起始字节；第二个字节LGE说明本组数据的长度；第三个字节ADR说明变频器的地址，接着是数据字节DATA，最后紧跟数据字节的BCC是一个校验字节，协议采取异或校验的方式，即将前述所有字节异或，结果放在最后一个字节，作为校验字节。
通过设置数据中参数字节的内容可以实现对变频器中参数的读取和修改，以及对变频器运行状况的查询。数据块由12个字节组成，有参数块和过程快两部分（见5）。
5数据块格式过程块由个字节的数据组成，包括：1）控制字和参考值；2）状态字和当前输出数据值。参数块包含参数代码与参数值，完成显示和修改对应代码的参数值。
参数块包含3部分：参数命令与应答及参数代码、索引、参数值，如5所示。
参数命令与应答及参数代码PKE用于传送主机到从机的参数命令和从机答复主机的应答。
索应IND与参数数目一起用于读／写有索应的参数，以识别参数值PWE对应参数命令的参数数值。
4软件设计
软件设计的几个主要部分有：单片机与变频器之间的通信；单片机与AT2C08之间的通信；要发往变频器的数据和变频器返回的数据的处理；以及键盘和显示程序。变频器远程控制面板的软件编程采用模块化设计。根据实际需要，划分出不同的功能模块。各模块的主要功能如下：
①初始化模块：主要完成对单片机的I／O口的设定、定时器的设定、SPI初始化、中断的设定等。此外，该模块还对LED显示模块进行初始化，完成上电自动显示过程。
②按键扫描模块：查询按键，判断是否有按键按下，确定键值。
③中断显示模块：通过定时器中断，采用动态扫描的方式显示数据。
④SPI接收模块：接收主机发送的命令或数据参数，同时能够校验数据的准确性。
⑤SPI发送模块：根据主机的要求，发送数据参数或按键信息以及校验码。另外，还有A／D转换和数据读写模块。
SPI接收和发送模块是软件设计关键，单片机与变频器之间的通信是一直进行的，没有按键操作时，单片机要不断地查询变频器的运行状况，并定时重新读取当前显示的数据，因为当前显示的数据可能是在变化的，操作面板必须实时更新显示数据；有些按键操作也会引起通信事件的发生，如读取和修改参数值操作等，通讯规则采用一应一答方式。
软件的总体结构如6所示，采用三层模式：监控模式，代码模式，参数模式。上电自动显示过程完成以后，即进入监控模式状态，按＜键循环显示设定的运行参数，按PROG键进入代码模式，表示开始编辑变频器的参数代码，按〈、△和键完成操作面板的编辑功能。接着是参数模式，对应代码的参数数值，可进行修改，按ENTER键则编辑的数据上传完成变频器的参数修改。
5实验调试
在实验调试中须注意以下几个问题：
①通信数据要采用浮点数格式，4位数码管能正确显示数据的范围为驱动与传动完全满足参数数据的要求。
②通信数据要确保正确的发送和接受。
实际实现中首先比较接受的第一个字节与起始字节，如相等则接受其它字节，如不相等，则这一帧数据不接受；其次，最后一字节作为校验，调试过程中采用异或校验，效果良好；并且在数据接受不对时，应能重新发送一帧数据以便接受正确数据进行处理，当通信出现故障出现3次接受数据不正确时，显示通信故障。
③变频器在运行过程中会出现故障，如变频器过载、输入电源欠压等，因此要求能正确显示故障代码，为技术人员的维修提供便利。在实验和现场当通信线达10米及更长时，循环查询参数能显示可靠、稳定，参数的设定和修改准确、无误，当变频器出现故障时，能正确显示故障代码，满足设计提出的指标。运行稳定，工作可靠，达到要求。
6结束
设计的操作面板已成功应用于实验室开发的某系列通用变频器。实践证明：
SPI通信数据转换为RS－485格式，通信数据距离远，方法实用新颖，面板操作方便，工作准确可靠，满足了变频器面板操作的工作要求。
本文作者创新点：采用SPI方式实现操作面板与通用变频器的通信，SPI接口为同步串行I／O口属于短距离通信，需经信号转换后实现远距离传输。实验中采用利用75174和75175组成一对，可实现串行通信数据转换为RS－485差分信号传输，满足远距离通信的需求。操作面板通过按键功能的组合简化了硬件结构，同时操作简单、实用，工作准确、可靠。
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，帮助用户实现电机的启停、转向、参数设置、信息查询等远程操作。如1所示：控制面板由显示屏、指示灯、功能键和电位器组成，显示屏由4个八段LED组成。功能键包括：运行键、停止键、上升键、下降键、移动键、编程键、正反键、确认键。运行键用于电机的启动运行；停止键用于电机的停车、故障复位以及参数停止修改等功能；正反键用于控制电机的正反转；移动键可以使显示屏循环显示频率、电流、电压、用户参数1、用户参数2等运行参数的大小，并在参数修改时可实现参数显示闪动位置移动（用户参数1、用户参数2可根据设定满足不同需求的参数显示，如要求显示功率及速度）；确认键在参数修改时可作为参数确认；编程键实现进入参数编辑状态；上升／下降键用于参数代码和参数数值的加减；电位器用于设定电动机的转速模拟量给定。这些键配合使用，可完成控制变频器的各种功能，指示灯则表明当前的状态。
2硬件设计
操作面板以PIC16C73单片机为核心，主要包括键盘，数码与指示灯显示、SPI通讯、A／D及等几部分组成，其结构如2所示。
键盘与显示模块由四个LED数码管及12个指示灯组成，采用软件编程进行逐位扫描实现动态显示与键盘识别，简化了硬件结构。单片机与由DSP实现的通用变频器的通信是结构的关键，由于DSP的串行通讯接口SCI设计成与上位机通信，实现波形显示及群控功能，因而，与单片机的通信采用串行外设接口SPI.SPI是一个高速、同步串行I／O口。SPI由于属于短距离通信方式，因此必须要有驱动电路。设计中将串行数据转换为RS－485总线结构，这种总线标准能以1MBPS速率传输数据，如适当降低传输速率，其传输距离可增加数倍。实现转换RS－485的器件有75174和75175。如3所示：
74174为串行信号转为差分信号，75175为差分信号转为串行信号，利用75174和75175组成一对可实现串行通信数据转换为RS－485信号传输，满足远距离通信的需求。
3通讯方式及协议
单片机与dsp实现的通用变频器之间的通信协议要完成状态信息的传输、参数的修改与保存及运行参数的显示等功能。由于采用串行外设接口SPI方式，有主控制模式和从控制模式，数据都是在SPICLK的一个边沿移出移位寄存器，并在相对的另一个边沿锁存到寄存器。因此，两个控制器可同时发送和接收数据。应用软件决定数据发送和接收的真伪，发送时不接收数据，接收数据时不发送数据。
4为一组数据的格式，每一组数据为16个字节，第一个字节STX为起始字节；第二个字节LGE说明本组数据的长度；第三个字节ADR说明变频器的地址，接着是数据字节DATA，最后紧跟数据字节的BCC是一个校验字节，协议采取异或校验的方式，即将前述所有字节异或，结果放在最后一个字节，作为校验字节。
通过设置数据中参数字节的内容可以实现对变频器中参数的读取和修改，以及对变频器运行状况的查询。数据块由12个字节组成，有参数块和过程快两部分（见5）。
5数据块格式过程块由个字节的数据组成，包括：1）控制字和参考值；2）状态字和当前输出数据值。参数块包含参数代码与参数值，完成显示和修改对应代码的参数值。
参数块包含3部分：参数命令与应答及参数代码、索引、参数值，如5所示。
参数命令与应答及参数代码PKE用于传送主机到从机的参数命令和从机答复主机的应答。
索应IND与参数数目一起用于读／写有索应的参数，以识别参数值PWE对应参数命令的参数数值。
4软件设计
软件设计的几个主要部分有：单片机与变频器之间的通信；单片机与AT2C08之间的通信；要发往变频器的数据和变频器返回的数据的处理；以及键盘和显示程序。变频器远程控制面板的软件编程采用模块化设计。根据实际需要，划分出不同的功能模块。各模块的主要功能如下：
①初始化模块：主要完成对单片机的I／O口的设定、定时器的设定、SPI初始化、中断的设定等。此外，该模块还对LED显示模块进行初始化，完成上电自动显示过程。
②按键扫描模块：查询按键，判断是否有按键按下，确定键值。
③中断显示模块：通过定时器中断，采用动态扫描的方式显示数据。
④SPI接收模块：接收主机发送的命令或数据参数，同时能够校验数据的准确性。
⑤SPI发送模块：根据主机的要求，发送数据参数或按键信息以及校验码。另外，还有A／D转换和数据读写模块。
SPI接收和发送模块是软件设计关键，单片机与变频器之间的通信是一直进行的，没有按键操作时，单片机要不断地查询变频器的运行状况，并定时重新读取当前显示的数据，因为当前显示的数据可能是在变化的，操作面板必须实时更新显示数据；有些按键操作也会引起通信事件的发生，如读取和修改参数值操作等，通讯规则采用一应一答方式。
软件的总体结构如6所示，采用三层模式：监控模式，代码模式，参数模式。上电自动显示过程完成以后，即进入监控模式状态，按＜键循环显示设定的运行参数，按PROG键进入代码模式，表示开始编辑变频器的参数代码，按〈、△和键完成操作面板的编辑功能。接着是参数模式，对应代码的参数数值，可进行修改，按ENTER键则编辑的数据上传完成变频器的参数修改。
5实验调试
在实验调试中须注意以下几个问题：
①通信数据要采用浮点数格式，4位数码管能正确显示数据的范围为驱动与传动完全满足参数数据的要求。
②通信数据要确保正确的发送和接受。
实际实现中首先比较接受的第一个字节与起始字节，如相等则接受其它字节，如不相等，则这一帧数据不接受；其次，最后一字节作为校验，调试过程中采用异或校验，效果良好；并且在数据接受不对时，应能重新发送一帧数据以便接受正确数据进行处理，当通信出现故障出现3次接受数据不正确时，显示通信故障。
③变频器在运行过程中会出现故障，如变频器过载、输入电源欠压等，因此要求能正确显示故障代码，为技术人员的维修提供便利。在实验和现场当通信线达10米及更长时，循环查询参数能显示可靠、稳定，参数的设定和修改准确、无误，当变频器出现故障时，能正确显示故障代码，满足设计提出的指标。运行稳定，工作可靠，达到要求。
6结束
设计的操作面板已成功应用于实验室开发的某系列通用变频器。实践证明：
SPI通信数据转换为RS－485格式，通信数据距离远，方法实用新颖，面板操作方便，工作准确可靠，满足了变频器面板操作的工作要求。
本文作者创新点：采用SPI方式实现操作面板与通用变频器的通信，SPI接口为同步串行I／O口属于短距离通信，需经信号转换后实现远距离传输。实验中采用利用75174和75175组成一对，可实现串行通信数据转换为RS－485差分信号传输，满足远距离通信的需求。操作面板通过按键功能的组合简化了硬件结构，同时操作简单、实用，工作准确、可靠。
