基于A(yíng)RM的網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置人機交互研發(fā)

0 引言

非線(xiàn)性、非對稱(chēng)、非平穩電力設備的大量使用，給保證供電質(zhì)量帶來(lái)了嚴峻的挑戰。電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越引起用戶(hù)和供電部門(mén)的重視。采取技術(shù)措施來(lái)對電能質(zhì)量進(jìn)行改善，首先就要對電能質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)準確的監測。具有圖形化接口的人機交互功能作為必不可少的功能之一，在電能質(zhì)量監測裝置的開(kāi)發(fā)中占有重要的地位。文獻［3-4］都實(shí)現了人機交互功能，但文獻［3］只移植了μC /GUI 圖形接口，而沒(méi)有使用μC /OS-Ⅱ，系統對多任務(wù)的支持不夠;文獻［4］中完成了一定的人機交互功能，圖形化程度不高，而且它們都是基于S3C44B0X 處理器。LPC2478 作為32 bit ARM7 處理器，集成了非常豐富的功能模塊，可以大大減少外部芯片的使用，顯著(zhù)降低開(kāi)發(fā)成本。在LPC2478 上進(jìn)行人機交互功能的研究有很大的實(shí)際意義。本文采用LPC2478 微處理器，以RealView MDK 為開(kāi)發(fā)平臺，移植了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC /OS-Ⅱ和μC /GUI 圖形接口，在此基礎上進(jìn)行了用戶(hù)程序的編寫(xiě)，最終實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置的具有圖形化接口的人機交互功能。

1 硬件結構及功能

1. 1 硬件結構

硬件結構圖如圖1 所示，網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置采用了雙CPU 及雙口RAM 的結構，2 個(gè)CPU 分別采用的是DSP( TMS320F2812) 和ARM(LPC2478)。TMS320F2812 的高速保證了裝置的實(shí)時(shí)性，LPC2478 提供的豐富的接口大大增強了裝置的可擴展性。雙口RAM 采用的是IDT70V9289。其中，DSP 的主要作用是進(jìn)行電力信號的采集、計算與分析及實(shí)現故障報警、事件記錄;ARM 則主要負責人機交互功能和通信功能。

網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置硬件結構框圖

圖1 網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置硬件結構框圖。

裝置中人機交互功能在硬件方面主要通過(guò)LPC2478 微處理器和6 個(gè)按鍵及LCD 液晶屏(AT056TN52)實(shí)現。裝置所采用的液晶屏TFT-LCD 為AT056TN52，它有18 根數據線(xiàn)，設計中將其與LPC2478 處理器的數據總線(xiàn)相連; 解析度為640 × 480像素，每個(gè)像素可以顯示最多26 萬(wàn)種顏色，完全可以滿(mǎn)足裝置的顯示需求。

鍵盤(pán)采用的是6 個(gè)按鍵，LPC2478 的GPIO 中斷功能使鍵盤(pán)的實(shí)現變得非常簡(jiǎn)單。該裝置中每個(gè)按鍵都與I /O 口直接相連，另一端接地。為每個(gè)按鍵并聯(lián)上一個(gè)電容可以有效防止按鍵抖動(dòng)。

1. 2 網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置的功能

裝置的主要功能:① 基本電力參數監測功能;② 電能質(zhì)量參數監測功能;③ 人機交互功能;④ 報警功能;⑤ 網(wǎng)絡(luò )通信功能。

針對裝置豐富的功能，需要有強大的人機交互功能做為支持。為便于操作，裝置的人機交互界面需要以中文窗口界面實(shí)現。用于人機交互功能的窗口分為兩類(lèi):對話(huà)框和菜單。對話(huà)框的功能是參數的設置與顯示，菜單的功能是為用戶(hù)提供選擇界面，接受用戶(hù)的選擇，并根據選擇結果運行相應的程序。

設計人機界面時(shí)，首先要根據實(shí)際需求確定需要幾級菜單，然后確定各級菜單中選擇項的數量，最后確定每個(gè)選擇項對應的窗口。裝置的菜單結構如圖2 所示。菜單中每個(gè)漢字為24 × 24點(diǎn)陣，對話(huà)框中的小字為21 × 21 點(diǎn)陣。本文設計了三級菜單，在屏幕下方顯示一級菜單，選擇一級菜單中的對應項后彈出二級菜單，二級菜單下又包含三級菜單。用戶(hù)可以通過(guò)方向鍵以及確認鍵來(lái)進(jìn)行選擇并加以確認。

裝置菜單結構圖

圖2 裝置菜單結構圖。

2 人機交互功能的軟件開(kāi)發(fā)

要實(shí)現裝置的有圖形接口的人機交互功能，必須進(jìn)行嵌入式操作系統和圖形接口在LPC2478微處理器上的移植。嵌入式操作系統的使用可以大大提高裝置的可靠性和實(shí)時(shí)性，圖形接口的移植則可以顯著(zhù)提高圖形化系統的開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。在比較了幾種主流的圖形接口之后，最終選擇μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系統和μC /GUI圖形接口，因為它們的代碼量少，而且功能強大，非常適合移植在資源有限的嵌入式硬件平臺上。

2. 1 μC/OS-Ⅱ的移植

μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系統的移植工作包含以下幾個(gè)內容:編寫(xiě)硬件初始化啟動(dòng)代碼;編寫(xiě)設備驅動(dòng)代碼;修改操作系統與硬件相關(guān)的代碼。

所謂啟動(dòng)代碼，就是處理器在啟動(dòng)的時(shí)候執行的一段代碼，主要任務(wù)是定義程序入口指針;設置異常向量;初始化處理器各模式下的堆棧和寄存器;配置 CPU 時(shí)鐘源;初始化系統功能模塊;跳轉到C 語(yǔ)言主程序中等等。由于以上的操作均與處理器體系結構和系統配置密切相關(guān)，所以一般由匯編來(lái)編寫(xiě)。在裝置中示意性的啟動(dòng)代碼為：

PRESERVE8

Vectors LDR PC，Reset_Addr

LDR PC，Undef_Addr

LDR PC，SWI_Addr

LDR PC，PA^_Addr

LDR PC，DA^_Addr

LDR PC，IRQ_Addr

LDR PC，FIQ_Addr

Reset_Addr

為每一種處理器模式初始化堆棧;

地址重映射，設置MEMMAP = 1;

配置時(shí)鐘源，設置Fpclk = 72M;

初始化FLASH;

初始化SDRAM;

IMPORT __main

LDR R0，= __main

BX R0;跳轉到主程序中

設備驅動(dòng)代碼是操作系統和硬件之間的橋梁。通過(guò)驅動(dòng)代碼，用戶(hù)可以不用了解具體硬件的細節，只需調用驅動(dòng)層所提供的函數就能對硬件進(jìn)行操作。在移植μC /OS-Ⅱ時(shí)，亦只需根據硬件環(huán)境編寫(xiě)必要的硬件驅動(dòng)程序即可。在此移植中，涉及到人機交互功能的硬件除微處理器LPC2478 外主要是鍵盤(pán)和液晶，液晶部分的驅動(dòng)代碼包含在了μC /GUI 圖形接口的移植步驟中。而鍵盤(pán)的主要功能為接受用戶(hù)的輸入，在微處理器LPC2478 中，可以使用I /O 中斷的功能來(lái)實(shí)現對鍵盤(pán)輸入的監測，驅動(dòng)代碼則為鍵盤(pán)的中斷處理程序:

void Key_Handler(void)

{ DWORD key_n = 0;

key_n = IO0_INT_STAT_F; / /讀取中斷狀態(tài)

IO0_INT_EN_F ＆ = 0xE07F8FFF; / /禁止中斷

IO0_INT_CLR | = 0xFFFFFFFF; / /清除中斷

if ((key_n＆0x00800000) = = 0x00800000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )1);}

if ((key_n＆0x01000000) = = 0x01000000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )2);}

if (key_n＆0x02000000) = = 0x02000000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )3);}

if ((key_n＆0x08000000) = = 0x08000000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )4);}

if ((key_n＆0x10000000) = = 0x10000000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )5);}

if ((key_n＆0x00001000) = = 0x00001000)

{ OSMboxPost(Keybox，(void * )6);}

IO0_INT_EN_F | = 0x1F807000; / /開(kāi)啟中斷

}

編寫(xiě)完硬件初始化啟動(dòng)代碼和設備驅動(dòng)代碼之后，在修改操作系統與硬件相關(guān)的代碼之前，應該了解μC /OS-Ⅱ的體系結構如圖3 所示。移植μC /OS-Ⅱ，最主要的工作就是移植與硬件相關(guān)的3 個(gè)文件，即OS _CPU. H、OS _CPU_C. C 和OS _CPU_A. ASM。OS_CPU. H 中含有用#define 定義的與處理器有關(guān)的常量、宏和類(lèi)型定義。通過(guò)對此處定義的修改，可以使源代碼中對數據類(lèi)型的使用不依賴(lài)于具體的處理器。移植時(shí)，只要使處理器、編譯器和 μC /OS-Ⅱ三者之間數據類(lèi)型統一即可。在此文件中還有一個(gè)μC /OS-Ⅱ對堆棧增長(cháng)方式的定義OS_STK_GROWTH，由于Keil 只支持遞減堆棧，因此，此處需要定義OS _ STK _GROWTH 的值為1。OS_CPU_C. C 文件中，需要進(jìn)行的工作是編寫(xiě)任務(wù)堆棧初始化函數OSTask-StkInit()。該函數在創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)時(shí)被調用。根據微處理器的寄存器結構，就可以確定在本次移植中針對LPC2478 應該使用的任務(wù)的堆棧結構，從而可以寫(xiě)出堆棧初始化函數代碼。在OS_CPU_A. ASM 文件中，有4 個(gè)函數需要編寫(xiě)，分別是啟動(dòng)最高優(yōu)先級就緒任務(wù)函數OSStartHighRdy()，時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)子程序OSTickISR()，任務(wù)級任務(wù)切換函數OS_TASK_SW( ) 及中斷級任務(wù)切換函數OSIntCtxSw()。

μC/OS-Ⅱ的體系結構圖

圖3 μC/OS-Ⅱ的體系結構圖。

2. 2 μC/GUI 的移植

μC /GUI 是一種用于嵌入式應用的圖形支持軟件，它被設計用于為任何一個(gè)圖形LCD 的應用提供一個(gè)有效的不依賴(lài)于處理器和LCD 控制器的圖形用戶(hù)接口。μC /GUI 的軟件體系模塊結構如圖4 所示。移植的過(guò)程具體可以分為以下幾步:按照需要，定制自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境;修改配置文件;編寫(xiě)硬件接口函數及LCD 驅動(dòng)函數;編譯、鏈接、調試例子程序。其中又以修改配置文件，編寫(xiě)硬件接口函數及LCD 驅動(dòng)函數最為主要。

μC/GUI 的分層模塊結構

圖4 μC/GUI 的分層模塊結構。

(1) 對LCDConf. h 的修改。LCDConf. h 文件中包含的宏定義主要是LCD 宏和LCD 控制宏，用于定義所使用的LCD 的像素尺寸和所選擇的功能，以及如何對LCD 控制器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。在裝置中為：

#define LCD_XSIZE (640)

#define LCD_YSIZE (480)

#define LCD_BITSPERPIXEL (16)

(2) 對GUICong. h 的修改。對GUICong. h文件進(jìn)行修改就是對μC /GUI 相應的功能進(jìn)行裁減。通過(guò)對這個(gè)文件的修改，可以決定圖形接口是否支持操作系統，是否采用內存設備，是否采用窗口管理器等。在裝置中為：

#define GUI_OS (1)

#define GUI_SUPPORT_TOUCH (0)

#define GUI_SUPPORT_MEMDEV1

#define GUI_WINSUPPORT 1

(3) LCD 驅動(dòng)程序。根據本文所采用的液晶AT056TN52 的數據手冊，編寫(xiě)對應的LCD 驅動(dòng)程序， 在GUI_LCDDriver 文件夾中的LCDDummy. c文件中，有一個(gè)函數的修改，它就是LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數。在這個(gè)函數中需要根據具體的硬件寫(xiě)出一個(gè)在指定位置顯示一個(gè)指定像素值的語(yǔ)句，因為本次移植所用的外部SDRAM 為L(cháng)CD 所分配的顯示緩存起始地址為0xA0000000，因此，這個(gè)語(yǔ)句在裝置中為：

* (0xA0000000 + (640 × 2 × y + x × 2)) = PixelIndex

除此之外，還有幾個(gè)函數需要改寫(xiě)，它們都可以通過(guò)調用LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數實(shí)現。

主要是以下幾個(gè)函數：

LCD_L0_Init(); / /初始化顯示屏

LCD_L0_ReInit(); / /重新初始化LCD

LCD_L0_Off(); / /關(guān)閉LCD

LCD_L0_On(); / /開(kāi)啟LCD

LCD_L0_DrawBitmap(); / /通用繪制位圖函數

LCD_L0_DrawHLine(); / /繪制一條水平線(xiàn)

LCD_L0_DrawVLine(); / /繪制一條垂直線(xiàn)

LCD_L0_FillRect(); / /填充一個(gè)矩形區域

LCD_L0_XorPixel(); / /反轉一個(gè)像素

2. 3 人機交互界面程序的編寫(xiě)

在工業(yè)上應用的一些圖形界面并不需要多么復雜，而是需要顯示一些簡(jiǎn)潔實(shí)用的功能界面，μC /GUI 的優(yōu)勢從而也能得到發(fā)揮。該裝置的人機交互程序結構如圖5 所示。在移植成功μC /OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統和μC /GUI 圖形界面系統的基礎上，裝置人機交互界面程序的編寫(xiě)會(huì )很方便。

人機交互程序結構示意圖

圖5 人機交互程序結構示意圖。

鍵盤(pán)輸入部分，本裝置采取的是I /O 中斷方式，LPC2478 的GPIO 端口0 和端口2 的每根引腳都可以產(chǎn)生中斷信號。每個(gè)中斷信號可編程設置為上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)或脈沖觸發(fā)。GPIO 中斷信號與VIC 的外部中斷3 共享同一個(gè)中斷通道。該裝置使用6 個(gè)按鍵，分別連接到GPIO 端口0 中的6 根引腳。設置GPIO 對應引腳的中斷為下降沿觸發(fā)。當按鍵按下時(shí)，對應的引腳上產(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)GPIO 中斷，在中斷處理程序中讀取GPIO 下降沿中斷狀態(tài)寄存器的值，可以判斷出按鍵按下，從而進(jìn)行對應的處理。

編寫(xiě)液晶顯示部分程序之前，必須對各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行合理的分配，本裝置的顯示界面主要包括實(shí)時(shí)時(shí)間顯示任務(wù)，三級菜單顯示任務(wù)和各個(gè)具體顯示任務(wù)或設置任務(wù)。任務(wù)優(yōu)先級的分配上，實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的任務(wù)優(yōu)先級最低;具體顯示或設置任務(wù)的優(yōu)先級要低于菜單顯示任務(wù);下級菜單顯示的任務(wù)優(yōu)先級要低于上級菜單顯示的任務(wù)優(yōu)先級。

功能顯示菜單任務(wù)的觸發(fā)條件有:① 上級菜單顯示任務(wù)中的確定鍵;② 下級菜單顯示任務(wù)中的返回鍵。需要注意的是返回上級菜單需要使用喚醒函數OSTaskResume(N)，如果是從下級菜單返回，則需要把下級菜單的圖像用背景圖像覆蓋。

功能顯示菜單任務(wù)的流程如圖6 所示。

功能菜單顯示任務(wù)流程圖

圖6 功能菜單顯示任務(wù)流程圖。

具體顯示結果或設置任務(wù)的觸發(fā)條件只有一種，就是最低級菜單顯示任務(wù)中的確定鍵。在具體顯示結果任務(wù)中，用確定鍵來(lái)返回頂級菜單。

在具體的設置任務(wù)中，按下確定鍵則保存設置結果，然后返回頂級菜單，按下取消鍵則不保存設置結果，直接返回頂級菜單。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測裝置所提供的功能中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示任務(wù)的重要性最低，因而給它分配的任務(wù)優(yōu)先級也最低。實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示任務(wù)的觸發(fā)條件為系統的啟動(dòng)，即該任務(wù)在系統啟動(dòng)時(shí)創(chuàng )建，在系統運行期間一直為就緒任務(wù)，不會(huì )被刪除。LPC2478 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能是否正常，預分頻寄存器的設置正確與否是關(guān)鍵因素。據數據手冊中的說(shuō)明，本裝置采用的Fpclk 為18 M，故預分頻寄存器的整數部分:

　　預分頻寄存器的小數部分:

　　裝置人機顯示界面的三級菜單和設置對話(huà)框的實(shí)例，如圖7、8 所示。

圖7 裝置人機界面三級菜單示例。

圖8 裝置人機界面設置對話(huà)框示例。

3 結語(yǔ)

(1) 基于嵌入式系統研發(fā)圖形化人機交互功能的過(guò)程為:首先根據所要求的功能確定硬件結構，然后選擇合適的嵌入式操作系統及圖形接口并將其移植到所選的硬件平臺上，最后編寫(xiě)應用程序以實(shí)現預期的功能。

(2) 電能質(zhì)量監測裝置對實(shí)時(shí)性要求比較高，采用μC /OS-Ⅱ操作系統并通過(guò)條件編譯對其進(jìn)行裁剪以減少程序存儲空間并提高執行效率，再加上對各任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行合理分配以進(jìn)行有效地調度，完全可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。

( 3 ) 在RealView MDK 開(kāi)發(fā)環(huán)境下基于LPC2478硬件平臺成功移植了μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系統，移植后的操作系統在多任務(wù)環(huán)境下運行良好，為以后各種應用奠定了基礎。

(4) 在移植成功μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系統的基礎上，成功移植了μC /GUI 圖形接口，并在此基礎上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )型電能質(zhì)量監測系統人機交互功能的開(kāi)發(fā)，最終完成了預期任務(wù)。目前裝置已投入了實(shí)際應用。應用情況表明:裝置的人機交互功能界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，工作可靠，性能穩定，得到了用戶(hù)好評。