基于ARM的網絡型電能質量監(jiān)測裝置人機交互研發(fā)

0 引言

非線性、非對稱、非平穩(wěn)電力設備的大量使用，給保證供電質量帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。電能質量問題已經越來越引起用戶和供電部門的重視。采取技術措施來對電能質量進行改善，首先就要對電能質量進行及時準確的監(jiān)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，在電能質量監(jiān)測裝置的開發(fā)中占有重要的地位。文獻［3-4］都實現了人機交互功能，但文獻［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，顯著降低開發(fā)成本。在LPC2478 上進行人機交互功能的研究有很大的實際意義。本文采用LPC2478 微處理器，以RealView MDK 為開發(fā)平臺，移植了實時嵌入式操作系統(tǒng)μC /OS-Ⅱ和μC /GUI 圖形接口，在此基礎上進行了用戶程序的編寫，最終實現了網絡型電能質量監(jiān)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，網絡型電能質量監(jiān)測裝置采用了雙CPU 及雙口RAM 的結構，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時性，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 的主要作用是進行電力信號的采集、計算與分析及實現故障報警、事件記錄;ARM 則主要負責人機交互功能和通信功能。

網絡型電能質量監(jiān)測裝置硬件結構框圖

圖1 網絡型電能質量監(jiān)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LPC2478 微處理器和6 個按鍵及LCD 液晶屏(AT056TN52)實現。裝置所采用的液晶屏TFT-LCD 為AT056TN52，它有18 根數據線，設計中將其與LPC2478 處理器的數據總線相連; 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現變得非常簡單。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 網絡型電能質量監(jiān)測裝置的功能

裝置的主要功能:① 基本電力參數監(jiān)測功能;② 電能質量參數監(jiān)測功能;③ 人機交互功能;④ 報警功能;⑤ 網絡通信功能。

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現。用于人機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的設置與顯示，菜單的功能是為用戶提供選擇界面，接受用戶的選擇，并根據選擇結果運行相應的程序。

設計人機界面時，首先要根據實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。菜單中每個漢字為24 × 24點陣，對話框中的小字為21 × 21 點陣。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。用戶可以通過方向鍵以及確認鍵來進行選擇并加以確認。

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發(fā)

要實現裝置的有圖形接口的人機交互功能，必須進行嵌入式操作系統(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(tǒng)的移植工作包含以下幾個內容:編寫硬件初始化啟動代碼;編寫設備驅動代碼;修改操作系統(tǒng)與硬件相關的代碼。

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 時鐘源;初始化系統(tǒng)功能模塊;跳轉到C 語言主程序中等等。由于以上的操作均與處理器體系結構和系統(tǒng)配置密切相關，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，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

設備驅動代碼是操作系統(tǒng)和硬件之間的橋梁。通過驅動代碼，用戶可以不用了解具體硬件的細節(jié)，只需調用驅動層所提供的函數就能對硬件進行操作。在移植μC /OS-Ⅱ時，亦只需根據硬件環(huán)境編寫必要的硬件驅動程序即可。在此移植中，涉及到人機交互功能的硬件除微處理器LPC2478 外主要是鍵盤和液晶，液晶部分的驅動代碼包含在了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 中斷的功能來實現對鍵盤輸入的監(jiān)測，驅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備驅動代碼之后，在修改操作系統(tǒng)與硬件相關的代碼之前，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據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三者之間數據類型統(tǒng)一即可。在此文件中還有一個μC /OS-Ⅱ對堆棧增長方式的定義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，需要進行的工作是編寫任務堆棧初始化函數OSTask-StkInit()。該函數在創(chuàng)建一個任務時被調用。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 應該使用的任務的堆棧結構，從而可以寫出堆棧初始化函數代碼。在OS_CPU_A. ASM 文件中，有4 個函數需要編寫，分別是啟動最高優(yōu)先級就緒任務函數OSStartHighRdy()，時鐘節(jié)拍中斷服務子程序OSTickISR()，任務級任務切換函數OS_TASK_SW( ) 及中斷級任務切換函數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圖形LCD 的應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 的軟件體系模塊結構如圖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;編寫硬件接口函數及LCD 驅動函數;編譯、鏈接、調試例子程序。其中又以修改配置文件，編寫硬件接口函數及LCD 驅動函數最為主要。

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文件進行修改就是對μC /GUI 相應的功能進行裁減。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 驅動程序。根據本文所采用的液晶AT056TN52 的數據手冊，編寫對應的LCD 驅動程序， 在GUI_LCDDriver 文件夾中的LCDDummy. c文件中，有一個函數的修改，它就是LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數。在這個函數中需要根據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，因為本次移植所用的外部SDRAM 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，還有幾個函數需要改寫，它們都可以通過調用LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函數實現。

主要是以下幾個函數：

LCD_L0_Init(); / /初始化顯示屏

LCD_L0_ReInit(); / /重新初始化LCD

LCD_L0_Off(); / /關閉LCD

LCD_L0_On(); / /開啟LCD

LCD_L0_DrawBitmap(); / /通用繪制位圖函數

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(); / /反轉一個像素

2. 3 人機交互界面程序的編寫

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潔實用的功能界面，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實時操作系統(tǒng)和μC /GUI 圖形界面系統(tǒng)的基礎上，裝置人機交互界面程序的編寫會很方便。

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生中斷信號。每個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。設置GPIO 對應引腳的中斷為下降沿觸發(fā)。當按鍵按下時，對應的引腳上產生一個下降沿觸發(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，從而進行對應的處理。

編寫液晶顯示部分程序之前，必須對各個任務的優(yōu)先級進行合理的分配，本裝置的顯示界面主要包括實時時間顯示任務，三級菜單顯示任務和各個具體顯示任務或設置任務。任務優(yōu)先級的分配上，實時時間顯示的任務優(yōu)先級最低;具體顯示或設置任務的優(yōu)先級要低于菜單顯示任務;下級菜單顯示的任務優(yōu)先級要低于上級菜單顯示的任務優(yōu)先級。

功能顯示菜單任務的觸發(fā)條件有:① 上級菜單顯示任務中的確定鍵;② 下級菜單顯示任務中的返回鍵。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。

功能顯示菜單任務的流程如圖6 所示。

功能菜單顯示任務流程圖

圖6 功能菜單顯示任務流程圖。

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

在具體的設置任務中，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。

在整個網絡型電能質量監(jiān)測裝置所提供的功能中，實時時鐘顯示任務的重要性最低，因而給它分配的任務優(yōu)先級也最低。實時時鐘顯示任務的觸發(fā)條件為系統(tǒng)的啟動，即該任務在系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建，在系統(tǒng)運行期間一直為就緒任務，不會被刪除。LPC2478 的實時時鐘功能是否正常，預分頻寄存器的設置正確與否是關鍵因素。據數據手冊中的說明，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框的實例，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框示例。

3 結語

(1) 基于嵌入式系統(tǒng)研發(fā)圖形化人機交互功能的過程為: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(tǒng)及圖形接口并將其移植到所選的硬件平臺上，最后編寫應用程序以實現預期的功能。

(2) 電能質量監(jiān)測裝置對實時性要求比較高，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，再加上對各任務優(yōu)先級進行合理分配以進行有效地調度，完全可以滿足實時性的要求。

( 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(tǒng)的基礎上，成功移植了μC /GUI 圖形接口，并在此基礎上進行了網絡型電能質量監(jiān)測系統(tǒng)人機交互功能的開發(fā)，最終完成了預期任務。目前裝置已投入了實際應用。應用情況表明:裝置的人機交互功能界面友好，操作簡單方便，工作可靠，性能穩(wěn)定，得到了用戶好評。