基于ARM的網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置人機(jī)交互研發(fā)

0 引言

非線性、非對稱、非平穩(wěn)電力設(shè)備的大量使用，給保證供電質(zhì)量帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電能質(zhì)量問題已經(jīng)越來越引起用戶和供電部門的重視。采取技術(shù)措施來對電能質(zhì)量進(jìn)行改善，首先就要對電能質(zhì)量進(jìn)行及時準(zhǔn)確的監(jiān)測。具有圖形化接口的人機(jī)交互功能作為必不可少的功能之一，在電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的開發(fā)中占有重要的地位。文獻(xiàn)［3-4］都實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，但文獻(xiàn)［3］只移植了μC /GUI 圖形接口，而沒有使用μC /OS-Ⅱ，系統(tǒng)對多任務(wù)的支持不夠;文獻(xiàn)［4］中完成了一定的人機(jī)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，顯著降低開發(fā)成本。在LPC2478 上進(jìn)行人機(jī)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 為開發(fā)平臺，移植了實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)μC /OS-Ⅱ和μC /GUI 圖形接口，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了用戶程序的編寫，最終實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的具有圖形化接口的人機(jī)交互功能。

1 硬件結(jié)構(gòu)及功能

1. 1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置采用了雙CPU 及雙口RAM 的結(jié)構(gòu)，2 個CPU 分別采用的是DSP( TMS320F2812) 和ARM(LPC2478)。TMS320F2812 的高速保證了裝置的實(shí)時性，LPC2478 提供的豐富的接口大大增強(qiáng)了裝置的可擴(kuò)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(jì)算與分析及實(shí)現(xiàn)故障報警、事件記錄;ARM 則主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互功能和通信功能。

網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖。

裝置中人機(jī)交互功能在硬件方面主要通過LPC2478 微處理器和6 個按鍵及LCD 液晶屏(AT056TN52)實(shí)現(xiàn)。裝置所采用的液晶屏TFT-LCD 為AT056TN52，它有18 根數(shù)據(jù)線，設(shè)計(jì)中將其與LPC2478 處理器的數(shù)據(jù)總線相連; 解析度為640 × 480像素，每個像素可以顯示最多26 萬種顏色，完全可以滿足裝置的顯示需求。

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

1. 2 網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的功能

裝置的主要功能:① 基本電力參數(shù)監(jiān)測功能;② 電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測功能;③ 人機(jī)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(qiáng)大的人機(jī)交互功能做為支持。為便于操作，裝置的人機(jī)交互界面需要以中文窗口界面實(shí)現(xiàn)。用于人機(jī)交互功能的窗口分為兩類:對話框和菜單。對話框的功能是參數(shù)的設(shè)置與顯示，菜單的功能是為用戶提供選擇界面，接受用戶的選擇，并根據(jù)選擇結(jié)果運(yùn)行相應(yīng)的程序。

設(shè)計(jì)人機(jī)界面時，首先要根據(jù)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(xiàng)的數(shù)量，最后確定每個選擇項(xiàng)對應(yīng)的窗口。裝置的菜單結(jié)構(gòu)如圖2 所示。菜單中每個漢字為24 × 24點(diǎn)陣，對話框中的小字為21 × 21 點(diǎn)陣。本文設(shè)計(jì)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(yīng)項(xiàng)后彈出二級菜單，二級菜單下又包含三級菜單。用戶可以通過方向鍵以及確認(rèn)鍵來進(jìn)行選擇并加以確認(rèn)。

裝置菜單結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置菜單結(jié)構(gòu)圖。

2 人機(jī)交互功能的軟件開發(fā)

要實(shí)現(xiàn)裝置的有圖形接口的人機(jī)交互功能，必須進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)和圖形接口在LPC2478微處理器上的移植。嵌入式操作系統(tǒng)的使用可以大大提高裝置的可靠性和實(shí)時性，圖形接口的移植則可以顯著提高圖形化系統(tǒng)的開發(fā)效率，縮短開發(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(tǒng)和μC /GUI圖形接口，因?yàn)樗鼈兊拇a量少，而且功能強(qiáng)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(tǒng)的移植工作包含以下幾個內(nèi)容:編寫硬件初始化啟動代碼;編寫設(shè)備驅(qū)動代碼;修改操作系統(tǒng)與硬件相關(guān)的代碼。

所謂啟動代碼，就是處理器在啟動的時候執(zhí)行的一段代碼，主要任務(wù)是定義程序入口指針;設(shè)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 時鐘源;初始化系統(tǒng)功能模塊;跳轉(zhuǎn)到C 語言主程序中等等。由于以上的操作均與處理器體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置密切相關(guān)，所以一般由匯編來編寫。在裝置中示意性的啟動代碼為：

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，F(xiàn)IQ_Addr

Reset_Addr

為每一種處理器模式初始化堆棧;

地址重映射，設(shè)置MEMMAP = 1;

配置時鐘源，設(shè)置Fpclk = 72M;

初始化FLASH;

初始化SDRAM;

IMPORT __main

LDR R0，= __main

BX R0;跳轉(zhuǎn)到主程序中

設(shè)備驅(qū)動代碼是操作系統(tǒng)和硬件之間的橋梁。通過驅(qū)動代碼，用戶可以不用了解具體硬件的細(xì)節(jié)，只需調(diào)用驅(qū)動層所提供的函數(shù)就能對硬件進(jìn)行操作。在移植μC /OS-Ⅱ時，亦只需根據(jù)硬件環(huán)境編寫必要的硬件驅(qū)動程序即可。在此移植中，涉及到人機(jī)交互功能的硬件除微處理器LPC2478 外主要是鍵盤和液晶，液晶部分的驅(qū)動代碼包含在了μC /GUI 圖形接口的移植步驟中。而鍵盤的主要功能為接受用戶的輸入，在微處理器LPC2478 中，可以使用I /O 中斷的功能來實(shí)現(xiàn)對鍵盤輸入的監(jiān)測，驅(qū)動代碼則為鍵盤的中斷處理程序:

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; / /開啟中斷

}

編寫完硬件初始化啟動代碼和設(shè)備驅(qū)動代碼之后，在修改操作系統(tǒng)與硬件相關(guān)的代碼之前，應(yīng)該了解μC /OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)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、宏和類型定義。通過對此處定義的修改，可以使源代碼中對數(shù)據(jù)類型的使用不依賴于具體的處理器。移植時，只要使處理器、編譯器和 μC /OS-Ⅱ三者之間數(shù)據(jù)類型統(tǒng)一即可。在此文件中還有一個μC /OS-Ⅱ?qū)Χ褩Ｔ鲩L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)行的工作是編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTask-StkInit()。該函數(shù)在創(chuàng)建一個任務(wù)時被調(diào)用。根據(jù)微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)，就可以確定在本次移植中針對LPC2478 應(yīng)該使用的任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，從而可以寫出堆棧初始化函數(shù)代碼。在OS_CPU_A. ASM 文件中，有4 個函數(shù)需要編寫，分別是啟動最高優(yōu)先級就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy()，時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序OSTickISR()，任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW( ) 及中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()。

μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)圖

圖3 μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)圖。

2. 2 μC/GUI 的移植

μC /GUI 是一種用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件，它被設(shè)計(jì)用于為任何一個圖形LCD 的應(yīng)用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD 控制器的圖形用戶接口。μC /GUI 的軟件體系模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。移植的過程具體可以分為以下幾步:按照需要，定制自己的開發(fā)環(huán)境;修改配置文件;編寫硬件接口函數(shù)及LCD 驅(qū)動函數(shù);編譯、鏈接、調(diào)試?yán)映绦颉Ｆ渲杏忠孕薷呐渲梦募?，編寫硬件接口函?shù)及LCD 驅(qū)動函數(shù)最為主要。

μC/GUI 的分層模塊結(jié)構(gòu)

圖4 μC/GUI 的分層模塊結(jié)構(gòu)。

(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)行訪問。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(yīng)的功能進(jìn)行裁減。通過對這個文件的修改，可以決定圖形接口是否支持操作系統(tǒng)，是否采用內(nèi)存設(shè)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(qū)動程序。根據(jù)本文所采用的液晶AT056TN52 的數(shù)據(jù)手冊，編寫對應(yīng)的LCD 驅(qū)動程序， 在GUI_LCDDriver 文件夾中的LCDDummy. c文件中，有一個函數(shù)的修改，它就是LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數(shù)。在這個函數(shù)中需要根據(jù)具體的硬件寫出一個在指定位置顯示一個指定像素值的語句，因?yàn)楸敬我浦菜玫耐獠縎DRAM 為LCD 所分配的顯示緩存起始地址為0xA0000000，因此，這個語句在裝置中為：

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

除此之外，還有幾個函數(shù)需要改寫，它們都可以通過調(diào)用LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

主要是以下幾個函數(shù)：

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(); / /開啟LCD

LCD_L0_DrawBitmap(); / /通用繪制位圖函數(shù)

LCD_L0_DrawHLine(); / /繪制一條水平線

LCD_L0_DrawVLine(); / /繪制一條垂直線

LCD_L0_FillRect(); / /填充一個矩形區(qū)域

LCD_L0_XorPixel(); / /反轉(zhuǎn)一個像素

2. 3 人機(jī)交互界面程序的編寫

在工業(yè)上應(yīng)用的一些圖形界面并不需要多么復(fù)雜，而是需要顯示一些簡潔實(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(jī)交互程序結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在移植成功μC /OS-Ⅱ實(shí)時操作系統(tǒng)和μC /GUI 圖形界面系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，裝置人機(jī)交互界面程序的編寫會很方便。

人機(jī)交互程序結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 人機(jī)交互程序結(jié)構(gòu)示意圖。

鍵盤輸入部分，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。每個中斷信號可編程設(shè)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 共享同一個中斷通道。該裝置使用6 個按鍵，分別連接到GPIO 端口0 中的6 根引腳。設(shè)置GPIO 對應(yīng)引腳的中斷為下降沿觸發(fā)。當(dāng)按鍵按下時，對應(yīng)的引腳上產(chǎn)生一個下降沿觸發(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(yīng)的處理。

編寫液晶顯示部分程序之前，必須對各個任務(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)時時間顯示任務(wù)，三級菜單顯示任務(wù)和各個具體顯示任務(wù)或設(shè)置任務(wù)。任務(wù)優(yōu)先級的分配上，實(shí)時時間顯示的任務(wù)優(yōu)先級最低;具體顯示或設(shè)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(shù)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(jié)果或設(shè)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(jié)果任務(wù)中，用確定鍵來返回頂級菜單。

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

在整個網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測裝置所提供的功能中，實(shí)時時鐘顯示任務(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)時時鐘顯示任務(wù)的觸發(fā)條件為系統(tǒng)的啟動，即該任務(wù)在系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建，在系統(tǒng)運(yùn)行期間一直為就緒任務(wù)，不會被刪除。LPC2478 的實(shí)時時鐘功能是否正常，預(yù)分頻寄存器的設(shè)置正確與否是關(guān)鍵因素。據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的說明，本裝置采用的Fpclk 為18 M，故預(yù)分頻寄存器的整數(shù)部分:

　　預(yù)分頻寄存器的小數(shù)部分:

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

圖7 裝置人機(jī)界面三級菜單示例。

圖8 裝置人機(jī)界面設(shè)置對話框示例。

3 結(jié)語

(1) 基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)圖形化人機(jī)交互功能的過程為:首先根據(jù)所要求的功能確定硬件結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)及圖形接口并將其移植到所選的硬件平臺上，最后編寫應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

(2) 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對實(shí)時性要求比較高，采用μC /OS-Ⅱ操作系統(tǒng)并通過條件編譯對其進(jìn)行裁剪以減少程序存儲空間并提高執(zhí)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(diào)度，完全可以滿足實(shí)時性的要求。

( 3 ) 在RealView MDK 開發(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(tǒng)，移植后的操作系統(tǒng)在多任務(wù)環(huán)境下運(yùn)行良好，為以后各種應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(4) 在移植成功μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，成功移植了μC /GUI 圖形接口，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)人機(jī)交互功能的開發(fā)，最終完成了預(yù)期任務(wù)。目前裝置已投入了實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用情況表明:裝置的人機(jī)交互功能界面友好，操作簡單方便，工作可靠，性能穩(wěn)定，得到了用戶好評。