视窗式人机交互系统在微机通讯管理设备上的应用

随着微处理芯片技术的发展，低功耗的高速处理芯片在工业现场总线等智能设备上得到了广泛的应用，也给在通讯管理设备上开发视窗式人机交互功能创造了条件。本文介绍了实现人机交互视窗所需要的硬件支持、现场运行环境及抗干扰的措施，为人机交互的设计应用提供思路及借鉴。

【关键词】通讯管理机 视窗式人机交互 嵌入式 电磁兼容

微机保护类产品从问世之初，就开始了在HMI（人机互操作）方面的不断发展和提高，尤其在人机交互方面，从最初以面板显示灯方式提供信息的原始信息交互开始，到显示方式和显示画面更加人性化的液晶显示技术，其沟通效率提高了几十倍。然而在电力调度系统中，人机交互技术的应用上仍然趋于保守，多数通讯管理设备还是不为运行人员所了解的黑匣子。如何将黑匣子式的通讯管理设备透明化，便于操作、便于掌握、运行人员可以通过人机交互系统进行直观的修改配置、观察运行状态、测试运行状况，结合实际的现场情况修改配置并自动生成远动信息表，主动告知调度部门现场的变化和变化后的通讯方案，是本文重点介绍的内容。

1 采用嵌入式系统构建平台

通讯控制和管理系统是由多学科、多功能组成的庞大的系统（例如SCADA系统），简单的菜单显示方式无法满足全面的人机交互要求，必须使用带视窗的操作系统来支持，本文介绍的微机通讯和管理设备（以下简称为：装置）的视窗式人机交互系统是以windows XPe嵌入式操作系统作为运行平台，紧凑型设计的单元结构框架内不仅包含了总线式主板设计模式，而且采用了2mm端子连接的连接器以提高可靠性，通讯装置的面板上安装了能够保证操作视窗正常显示的640x480分辨率真彩液晶屏和保证操作系统正常使用的笔记本电脑触控鼠标，带有PS/2键盘接口，USB接口，以太网接口，多路串口（RS232/RS485），并带有中央信号处理功能可启动变电站内的音响报警设备，设备内的电源板采用高频逆变整流和去藕电路设计，兼具电源宽工作范围交、直流通用特性和抗电磁干扰特性。

硬件部分是由嵌入式处理器来控制和管理键盘、鼠标、电子硬盘、LCD液晶显示屏、VGA显示器、网卡、I/O、打印机、USB集线器等组成，并且通过母板的总线接口可扩展PCI和ISA的接口设备，灵活集成诸如串通讯接口，以太网接口，CAN通讯接口等扩展设备。软件部分以计算机技术为基础，对windows XPe操作系统进行了针对性裁剪，仅保留装置所配置的硬件的驱动和必须的调用和处理功能外，去除了操作系统中大量的冗余功能，为操作系统进行了瘦身，大大节省了CPU的调用资源，从而保证了该装置实际应用中对功能、可靠性、功耗、成本、体积等的严格要求。

视窗式人机交互系统需要其处理核心具有高速处理能力，以及并行数据处理和精确像素插入的全2D硬件加速，以及动画加速能力。所以装置所选用的是带有800MHz主频CPU的ETX-LX800工业控制主板，利用该主板所具有的处理速度快、低功耗、体积小、集成度高等特点，再辅以硬件和软件设计时对处理效率、去除冗余、需求具体化、适当扩展硬件接口等方面的重点考虑，以及系统的多任务处理机制，确保在通讯通道全部调用和图形显示界面处于打开状态时，CPU的占用率不超过20%，保证了操作和显示的实时性，从根本上解决系统不稳定的隐患。

2 采用电磁兼容技术设计

2.1 采用机箱屏蔽技术解决外部辐射干扰

屏蔽技术可以用来抑制电磁噪声在空间上的传播，因此可以切断辐射电磁噪声的传播途径。在辐射电磁波的传播路径上的屏蔽可以使阻抗不连续，并且反射和吸收这些辐射的电磁波，防止EMI问题并保护信号完整性。

装置的屏蔽机箱由套桶式金属箱体以及全金属面板组成的金属笼。在高频下，通常金属材料会有一定的集肤深度，会产生信号的衰减，有助于提高屏蔽效率。使用这种屏蔽机箱，所有耦合到机箱壁上的寄生电流，比如共模电流，会被限制在机箱的内表面，没有通路可以让内表面的电流传输到机箱外表面。这样的话，寄生共模电流就被限制在屏蔽机箱的内部，而不会产生RF辐射。但在实际应用中，屏蔽机箱根据屏蔽要求不同，其性能也不同。屏蔽机箱的EMI性能在很大程度上又受机箱上的穿孔和出入机箱的电缆所决定，因此在屏蔽技术上还需采用以减小机箱孔隙的套筒式设计、增加截止波导管等措施。

2.2 有效分离干扰源解决内部辐射干扰

通讯装置由于使用800Mhz的CPU处理芯片，6.4寸液晶显示屏，完成高频信号的数据传输，各种因素的综合效应使该设备的内部设计必须考虑空间隔离、噪声隔离、强电隔离、负载平衡、静电隔离、散热等多方面的影响。由于功能丰富，敏感器件多，使得对内部布局和PCB板的设计要求非常高。为此除了遵循一般的设计规范外，还增加了一些辅助措施，包括：

（1）功能板间相互独立，减少传输干扰。

（2）PCB板边界的屏蔽。

（3）采用具有防护作用的电子元器件。

3 视窗式人机交互系统的显示和配置

3.1 变电站综合自动化系统网络结构说明

变电站综合自动化系统是集保护、测量、控制、通讯、远动、监视、计量和综合管理等多种自动化功能于一体的综合控制系统，如图1所示为一个简单的无人值守变电站综合自动化系统的典型网络结构，其系统结构分为三层结构，分别是设备层、网络控制层和通讯控制层。

3.2 用户需要管理的显示信息和设置项目的分析

应用在工程项目中的通讯管理系统，需要工程制作、现场调试和用户使用等不同阶段的人员对此系统进行相应的配置和管理，为使该装置能够充分的满足各阶段人员的操作需要，相应的提供完成各阶段工作的显示和操作视窗。在立项阶段综合本系统的功能属性对配置和管理需求进行了分析，以实现所有与运行操作有关的信息以视窗方式显示出来的开发目标。

3.3 通信管理系统的主界面

能够一目了然监视全局是设计装置的运行主界面指导思想，因此通信控制和管理系统的人机交互界面被赋予了多重功能。主界面上能够体现所有运行端口的当前工况，包括使用的端口，端口所连接的设备，端口的运行状态，站内常规监视设备引入的I/O状态信息等（图2）。

3.4 通信管理系统的站内装置配置界面

现场调试人员和用户可在站内的各类型装置出现增减或装置信息需要变更时使用，装置的通信配置可通过装置后台通信配置工具来完成。在运行界面树窗口下有“出厂装置模板”、“运行装置模板”、“运行装置”、“协议参数”、“采集表”等选项，进入分级目录后可调出相应装置的出厂模板信息，点击右键菜单可对模板信息进行相应操作，并按照“出厂装置模板”“运行装置模板”“运行装置”的配置顺序完成运行装置的配置，并在其中的不同环节对信息进行配置或修改。

3.5 通信管理系统的远动参数设置界面

装置向调度系统发送远动信息可以通过调度系统配置工具来完成，设置的主界面采用选项卡方式表达（图3）。应用调度系统配置工具对系统全部采集量参数的设置进行管理。其中，参数设置主要通过设置接收RTU参数配置、转发RTU参数配置以及通道配置三个选项卡完成。

3.6 通信管理系统的站内报警系统设置界面

根据现场的需要，可以将预告信号和报警信号的启动音响设置在不同的报警出口，装置能够提供4个出口可供选择。通过报警配置工具对系统全部采集量参数的报警出口进行管理。

通过对开入报警设置、实时库报警设置以及报警出口设置三个选项完成全站的通讯报警设置，其中开入报警设置和报警出口设置主要服务于中央信号报警系统。

开入报警设置如图4所示，选择“8个开入报警设置”，信息栏右侧显示的是8个开入对应的继电器出口设置情况。

实时库报警设置如图5所示，信息栏右侧显示的是实时数据库中数据所对应的继电器出口设置情况。

报警出口设置如图6所示。信息栏右侧显示的是继电器出口序列。

4 结论

对视窗式人机交互系统应用在通讯控制和管理装置中的研究的意义不仅在于从技术手段方面提高产品的亲和力，使产品功能更好地被用户所掌握。而且为当前电力调度系统中许多单纯依靠专业的远动部门来制定调度信息方案并解决调度信息传输的模式提供了一种新颖、灵活、自主的信息采集、处理和传输的思路。随着嵌入式系统的技术不断发展和提高，越来越多的应用领域开始采用基于视窗式的人机交互系统，这一技术发展趋势可能遍及继电保护系统、远动传输系统、能量管理系统的所有层面，引领出新的应用产品需求方向。

参考文献

[1]白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.114-137.

[2]江思敏.PCB和电磁兼容设计[M].北京：机械工业出版社，2006.35-40.

[3]何立民.从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J].单片机与嵌入式系统应用，2008.

作者单位

东方电子股份有限公司 山东省烟台市 264000