基于ARM的网络型电能质量监测装置人机交互研发

0 引言

非线性、非对称、非平稳电力设备的大量使用，给保证供电质量带来了严峻的挑战。电能质量问题已经越来越引起用户和供电部门的重视。采取技术措施来对电能质量进行改善，首先就要对电能质量进行及时准确的监测。具有图形化接口的人机交互功能作为必不可少的功能之一，在电能质量监测装置的开发中占有重要的地位。文献［3-4］都实现了人机交互功能，但文献［3］只移植了μC /GUI 图形接口，而没有使用μC /OS-Ⅱ，系统对多任务的支持不够;文献［4］中完成了一定的人机交互功能，图形化程度不高，而且它们都是基于S3C44B0X 处理器。LPC2478 作为32 bit ARM7 处理器，集成了非常丰富的功能模块，可以大大减少外部芯片的使用，显着降低开发成本。在LPC2478 上进行人机交互功能的研究有很大的实际意义。本文采用LPC2478 微处理器，以RealView MDK 为开发平台，移植了实时嵌入式操作系统μC /OS-Ⅱ和μC /GUI 图形接口，在此基础上进行了用户程序的编写，最终实现了网络型电能质量监测装置的具有图形化接口的人机交互功能。

1 硬件结构及功能

1. 1 硬件结构

硬件结构图如图1 所示，网络型电能质量监测装置采用了双CPU 及双口RAM 的结构，2 个CPU 分别采用的是DSP( TMS320F2812) 和ARM(LPC2478)。TMS320F2812 的高速保证了装置的实时性，LPC2478 提供的丰富的接口大大增强了装置的可扩展性。双口RAM 采用的是IDT70V9289。其中，DSP 的主要作用是进行电力信号的采集、计算与分析及实现故障报警、事件记录;ARM 则主要负责人机交互功能和通信功能。

网络型电能质量监测装置硬件结构框图

图1 网络型电能质量监测装置硬件结构框图。

装置中人机交互功能在硬件方面主要通过LPC2478 微处理器和6 个按键及LCD 液晶屏(AT056TN52)实现。装置所采用的液晶屏TFT-LCD 为AT056TN52，它有18 根数据线，设计中将其与LPC2478 处理器的数据总线相连; 解析度为640 × 480像素，每个像素可以显示最多26 万种颜色，完全可以满足装置的显示需求。

键盘采用的是6 个按键，LPC2478 的GPIO 中断功能使键盘的实现变得非常简单。该装置中每个按键都与I /O 口直接相连，另一端接地。为每个按键并联上一个电容可以有效防止按键抖动。

1. 2 网络型电能质量监测装置的功能

装置的主要功能:① 基本电力参数监测功能;② 电能质量参数监测功能;③ 人机交互功能;④ 报警功能;⑤ 网络通信功能。

针对装置丰富的功能，需要有强大的人机交互功能做为支持。为便于操作，装置的人机交互界面需要以中文窗口界面实现。用于人机交互功能的窗口分为两类:对话框和菜单。对话框的功能是参数的设置与显示，菜单的功能是为用户提供选择界面，接受用户的选择，并根据选择结果运行相应的程序。

设计人机界面时，首先要根据实际需求确定需要几级菜单，然后确定各级菜单中选择项的数量，最后确定每个选择项对应的窗口。装置的菜单结构如图2 所示。菜单中每个汉字为24 × 24点阵，对话框中的小字为21 × 21 点阵。本文设计了三级菜单，在屏幕下方显示一级菜单，选择一级菜单中的对应项后弹出二级菜单，二级菜单下又包含三级菜单。用户可以通过方向键以及确认键来进行选择并加以确认。

装置菜单结构图

图2 装置菜单结构图。

2 人机交互功能的软件开发

要实现装置的有图形接口的人机交互功能，必须进行嵌入式操作系统和图形接口在LPC2478微处理器上的移植。嵌入式操作系统的使用可以大大提高装置的可靠性和实时性，图形接口的移植则可以显着提高图形化系统的开发效率，缩短开发周期。在比较了几种主流的图形接口之后，最终选择μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系统和μC /GUI图形接口，因为它们的代码量少，而且功能强大，非常适合移植在资源有限的嵌入式硬件平台上。

2. 1 μC/OS-Ⅱ的移植

μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系统的移植工作包含以下几个内容:编写硬件初始化启动代码;编写设备驱动代码;修改操作系统与硬件相关的代码。

所谓启动代码，就是处理器在启动的时候执行的一段代码，主要任务是定义程序入口指针;设置异常向量;初始化处理器各模式下的堆栈和寄存器;配置 CPU 时钟源;初始化系统功能模块;跳转到C 语言主程序中等等。由于以上的操作均与处理器体系结构和系统配置密切相关，所以一般由汇编来编写。在装置中示意性的启动代码为：

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

为每一种处理器模式初始化堆栈;

地址重映射，设置MEMMAP = 1;

配置时钟源，设置Fpclk = 72M;

初始化FLASH;

初始化SDRAM;

IMPORT __main

LDR R0，= __main

BX R0;跳转到主程序中

设备驱动代码是操作系统和硬件之间的桥梁。通过驱动代码，用户可以不用了解具体硬件的细节，只需调用驱动层所提供的函数就能对硬件进行操作。在移植μC /OS-Ⅱ时，亦只需根据硬件环境编写必要的硬件驱动程序即可。在此移植中，涉及到人机交互功能的硬件除微处理器LPC2478 外主要是键盘和液晶，液晶部分的驱动代码包含在了μC /GUI 图形接口的移植步骤中。而键盘的主要功能为接受用户的输入，在微处理器LPC2478 中，可以使用I /O 中断的功能来实现对键盘输入的监测，驱动代码则为键盘的中断处理程序:

void Key_Handler(void)

{ DWORD key_n = 0;

key_n = IO0_INT_STAT_F; / /读取中断状态

IO0_INT_EN_F ＆ = 0xE07F8FFF; / /禁止中断

IO0_INT_CLR | = 0xFFFFFFFF; / /清除中断

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; / /开启中断

}

编写完硬件初始化启动代码和设备驱动代码之后，在修改操作系统与硬件相关的代码之前，应该了解μC /OS-Ⅱ的体系结构如图3 所示。移植μC /OS-Ⅱ，最主要的工作就是移植与硬件相关的3 个文件，即OS _CPU. H、OS _CPU_C. C 和OS _CPU_A. ASM。OS_CPU. H 中含有用#define 定义的与处理器有关的常量、宏和类型定义。通过对此处定义的修改，可以使源代码中对数据类型的使用不依赖于具体的处理器。移植时，只要使处理器、编译器和 μC /OS-Ⅱ三者之间数据类型统一即可。在此文件中还有一个μC /OS-Ⅱ对堆栈增长方式的定义OS_STK_GROWTH，由于Keil 只支持递减堆栈，因此，此处需要定义OS _ STK _GROWTH 的值为1。OS_CPU_C. C 文件中，需要进行的工作是编写任务堆栈初始化函数OSTask-StkInit()。该函数在创建一个任务时被调用。根据微处理器的寄存器结构，就可以确定在本次移植中针对LPC2478 应该使用的任务的堆栈结构，从而可以写出堆栈初始化函数代码。在OS_CPU_A. ASM 文件中，有4 个函数需要编写，分别是启动最高优先级就绪任务函数OSStartHighRdy()，时钟节拍中断服务子程序OSTickISR()，任务级任务切换函数OS_TASK_SW( ) 及中断级任务切换函数OSIntCtxSw()。

μC/OS-Ⅱ的体系结构图

图3 μC/OS-Ⅱ的体系结构图。

2. 2 μC/GUI 的移植

μC /GUI 是一种用于嵌入式应用的图形支持软件，它被设计用于为任何一个图形LCD 的应用提供一个有效的不依赖于处理器和LCD 控制器的图形用户接口。μC /GUI 的软件体系模块结构如图4 所示。移植的过程具体可以分为以下几步:按照需要，定制自己的开发环境;修改配置文件;编写硬件接口函数及LCD 驱动函数;编译、链接、调试例子程序。其中又以修改配置文件，编写硬件接口函数及LCD 驱动函数最为主要。

μC/GUI 的分层模块结构

图4 μC/GUI 的分层模块结构。

(1) 对LCDConf. h 的修改。LCDConf. h 文件中包含的宏定义主要是LCD 宏和LCD 控制宏，用于定义所使用的LCD 的像素尺寸和所选择的功能，以及如何对LCD 控制器进行访问。在装置中为：

#define LCD_XSIZE (640)

#define LCD_YSIZE (480)

#define LCD_BITSPERPIXEL (16)

(2) 对GUICong. h 的修改。对GUICong. h文件进行修改就是对μC /GUI 相应的功能进行裁减。通过对这个文件的修改，可以决定图形接口是否支持操作系统，是否采用内存设备，是否采用窗口管理器等。在装置中为：

#define GUI_OS (1)

#define GUI_SUPPORT_TOUCH (0)

#define GUI_SUPPORT_MEMDEV1

#define GUI_WINSUPPORT 1

(3) LCD 驱动程序。根据本文所采用的液晶AT056TN52 的数据手册，编写对应的LCD 驱动程序， 在GUI_LCDDriver 文件夹中的LCDDummy. c文件中，有一个函数的修改，它就是LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函数。在这个函数中需要根据具体的硬件写出一个在指定位置显示一个指定像素值的语句，因为本次移植所用的外部SDRAM 为LCD 所分配的显示缓存起始地址为0xA0000000，因此，这个语句在装置中为：

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

除此之外，还有几个函数需要改写，它们都可以通过调用LCD_L0_SetPixelIndex( ) 函数实现。

主要是以下几个函数：

LCD_L0_Init(); / /初始化显示屏

LCD_L0_ReInit(); / /重新初始化LCD

LCD_L0_Off(); / /关闭LCD

LCD_L0_On(); / /开启LCD

LCD_L0_DrawBitmap(); / /通用绘制位图函数

LCD_L0_DrawHLine(); / /绘制一条水平线

LCD_L0_DrawVLine(); / /绘制一条垂直线

LCD_L0_FillRect(); / /填充一个矩形区域

LCD_L0_XorPixel(); / /反转一个像素

2. 3 人机交互界面程序的编写

在工业上应用的一些图形界面并不需要多么复杂，而是需要显示一些简洁实用的功能界面，μC /GUI 的优势从而也能得到发挥。该装置的人机交互程序结构如图5 所示。在移植成功μC /OS-Ⅱ实时操作系统和μC /GUI 图形界面系统的基础上，装置人机交互界面程序的编写会很方便。

人机交互程序结构示意图

图5 人机交互程序结构示意图。

键盘输入部分，本装置采取的是I /O 中断方式，LPC2478 的GPIO 端口0 和端口2 的每根引脚都可以产生中断信号。每个中断信号可编程设置为上升沿触发、下降沿触发或脉冲触发。GPIO 中断信号与VIC 的外部中断3 共享同一个中断通道。该装置使用6 个按键，分别连接到GPIO 端口0 中的6 根引脚。设置GPIO 对应引脚的中断为下降沿触发。当按键按下时，对应的引脚上产生一个下降沿触发GPIO 中断，在中断处理程序中读取GPIO 下降沿中断状态寄存器的值，可以判断出按键按下，从而进行对应的处理。

编写液晶显示部分程序之前，必须对各个任务的优先级进行合理的分配，本装置的显示界面主要包括实时时间显示任务，三级菜单显示任务和各个具体显示任务或设置任务。任务优先级的分配上，实时时间显示的任务优先级最低;具体显示或设置任务的优先级要低于菜单显示任务;下级菜单显示的任务优先级要低于上级菜单显示的任务优先级。

功能显示菜单任务的触发条件有:① 上级菜单显示任务中的确定键;② 下级菜单显示任务中的返回键。需要注意的是返回上级菜单需要使用唤醒函数OSTaskResume(N)，如果是从下级菜单返回，则需要把下级菜单的图像用背景图像覆盖。

功能显示菜单任务的流程如图6 所示。

功能菜单显示任务流程图

图6 功能菜单显示任务流程图。

具体显示结果或设置任务的触发条件只有一种，就是最低级菜单显示任务中的确定键。在具体显示结果任务中，用确定键来返回顶级菜单。

在具体的设置任务中，按下确定键则保存设置结果，然后返回顶级菜单，按下取消键则不保存设置结果，直接返回顶级菜单。

在整个网络型电能质量监测装置所提供的功能中，实时时钟显示任务的重要性最低，因而给它分配的任务优先级也最低。实时时钟显示任务的触发条件为系统的启动，即该任务在系统启动时创建，在系统运行期间一直为就绪任务，不会被删除。LPC2478 的实时时钟功能是否正常，预分频寄存器的设置正确与否是关键因素。据数据手册中的说明，本装置采用的Fpclk 为18 M，故预分频寄存器的整数部分:

　　预分频寄存器的小数部分:

　　装置人机显示界面的三级菜单和设置对话框的实例，如图7、8 所示。

图7 装置人机界面三级菜单示例。

图8 装置人机界面设置对话框示例。

3 结语

(1) 基于嵌入式系统研发图形化人机交互功能的过程为:首先根据所要求的功能确定硬件结构，然后选择合适的嵌入式操作系统及图形接口并将其移植到所选的硬件平台上，最后编写应用程序以实现预期的功能。

(2) 电能质量监测装置对实时性要求比较高，采用μC /OS-Ⅱ操作系统并通过条件编译对其进行裁剪以减少程序存储空间并提高执行效率，再加上对各任务优先级进行合理分配以进行有效地调度，完全可以满足实时性的要求。

( 3 ) 在RealView MDK 开发环境下基于LPC2478硬件平台成功移植了μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系统，移植后的操作系统在多任务环境下运行良好，为以后各种应用奠定了基础。

(4) 在移植成功μC /OS-Ⅱ嵌入式操作系统的基础上，成功移植了μC /GUI 图形接口，并在此基础上进行了网络型电能质量监测系统人机交互功能的开发，最终完成了预期任务。目前装置已投入了实际应用。应用情况表明:装置的人机交互功能界面友好，操作简单方便，工作可靠，性能稳定，得到了用户好评。