郑恒持,蒋丁宇,卢兴泉,刘泊江
(大连海事大学 轮机工程学院,辽宁 大连 116026)
摘要:电能质量直接影响着电力系统能否安全运行,为了能及时可靠地检测电能质量,采用全新的Windows Presentation Foundation(WPF)技术,设计了一款电能质量检测系统上位机软件。从工业控制上位机软件的特点出发,实现了上位机与下位机的串口通信,绘制了实时数据波形图及谐波波形图,完成了检测数据的清晰显示。该系统人机界面美观,操作方便,数据存储量大,功能完善。
关键词:WPF;串口;波形图;数据显示
0引言
随着电子电气设备的不断增多及设备功能的完善,人们对电能质量的要求也越来越高。电能质量检测是评估电能质量水平、发现电能质量问题的主要手段[1]。
WPF是基于.NET Framework框架的面向下一款操作系统的图形化桌面应用设计软件[2],本文采用WPF界面实现技术,运用C#语言编写逻辑代码,设计一款功能强大的电能质量检测上位机软件。
1WPF概述
1.1WPF体系结构
WPF使用的是一个多层体系结构。在顶层,由应用程序和一个完全由托管的C#程序编写的一组高层服务交互。将NET对象转化成Direct3D纹理和三角形的实际工作,在后台由一个名为milcore.dll的低级非托管组件完成。milcore.dll是使用非托管代码实现的,因为它要与Direct3D紧密集成,而且它对性能十分敏感。需要明确的事实是,在WPF中几乎所有绘图内容都是由Direct3D渲染的,甚至二维图形和普通文本也被转换为三角形传送到Direct3D管线,而不是使用GDI+或User32渲染图形[3]。
1.2WPF优点
WPF是全新的编程模型,底层图形技术不再是GDI/GDI+,而是以DirectX作为核心绘图函数。DirectX绘图时会将尽可能多的工作交给图形处理单元(GPU)处理,WPF会将CPU和GPU分开利用[4],因为GPU的浮点计算能力远高于CPU,从而保证了大量计算的优先性,同时也能最小化CPU使用率。DirectX绘图速度高于GDI/GDI+,能产生更好的视觉效果。对于大量的浮点运算图形来说,WPF是一个很好的选择。同时,WPF能够根据系统DPI设置,非常灵活地放大和缩小显示内容,以使其适合所使用的显示器。
2上位机软件设计与实现
2.1界面设计
系统界面主要由串口参数设置区、电能质量参数显示区、实时数据波形区、通道选择区以及实时数据监测区5部分组成。图1为上位机界面。
2.2上位机软件功能实现
本上位机软件主要的功能是将单片机采集的数据解析并显示,同时绘制波形图来清晰地展现检测的电能质量。
2.2.1实时数据波形图的绘制
上位机软件往往需要显示各种信号的变化,这时经常需要波形图[5]。波形图能够直观地反映出信号的变化及走势,有助于分析检测信号。虽然WPF本身的绘图功能非常强大,但是如果每种图表都要自己重新去实现一次的话,工作量就会变得异常大。这时就非常有必要使用一种专业的图表生成工具Visifire。
Visifire是一款适用于微软平台下的控件,能够用于WPF、Sliverlight、SharePoint以及WindowsPhone平台,并且各平台使用相同的API,易于开发和跨平台使用[6]。本软件的实时数据波形图和实时谐波波形图就是利用Visifire控件将采集来的信号点处理后绘制成曲线。其中曲线图满足以下特点:
(1)通过Chart的ScrollingEnabled属性实现图表的滚动功能;
(2)可以通过ZoomingEnabled和ZoomingMode实现鼠标框选放大和鼠标滚轮放大或缩小;
(3)Demo已经实现,原理是Series[0].DataPoints绑定DataPoints值集合时,按需求移出该集合的第一个点并添加最后一个点,界面图会跟随变化;
(4)将Chart的ToolBarEnabled的属性值设置为true,则将鼠标指针移动到图表上时右上角会显示导出、打印的图标。
2.2.2实时监测数据的显示
数据显示主要包括了电能质量参数、实时检测数据、谐波数据的显示。其中由于实时检测数据较多,因此显示最为复杂。这里使用DataGrid控件。DataGrid是WPF中功能最完备的数据显示工具。它将数据分割到包含行和列的网格中,每行都与一个单独的对象相对应,每列与该对象的一个属性相对应。创建DataGrid关键是去定义列。
这里使用继承自DataGridColumn的DataGridColumn类来动态地生成列。这种列对于大部分数据类型是标准选择。当定义列时,几乎总是设置3个细节:在列顶部显示的题头文本、列的宽度以及获取数据绑定。
列的题头可以通过设置DataGridColumn.Header属性实现,但不必限制为普通文本。列的题头是内容控件可以为Header属性提供任何内容,包括图像或者具有元素组合的布局面板。
列的宽度可以通过设置DataGridColumn.Width属性和DataGrid.ColumnWidth来实现。二者唯一的区别是前者属性应用于单个列,而后者为整个表中所有的列设置默认宽度,而且当设置前者时会覆盖后者。
最重要的细节是为列提供恰当的信息绑定表达式,通过设置DataGridColumn.Binding属性提供该绑定表达式。如果把Binding比作数据的桥梁,那么它的两端分别是Binding的源和目标。
3串口通信
电能质量检测系统由以单片机为核心的采集板卡完成数据的采集,由上位机软件通过特定的算法完成对各个复杂参数的处理并显示,所以需要两者之间实现通信,这里使用异步串行通信。采用WPF开发串口通信程序主要有3种方法:第一种方法是通过MSComm控件;第二种方法是采用微软在.NET中推出的一个串口控件SerialPort;第三种方法是用API函数[7]。为方便起见,使用了SerialPort控件。
3.1SerialPort控件使用流程
在使用SerialPort控件实现串口通信时,首先应该根据设计要求构建出程序设计的框架,接着设置通信对象、通信端口、波特率、数据位、停止位,再根据需求编写相应的实现程序完成数据的接收和发送,接着完成数据解析和处理,最后关闭通信端口[8],通信过程如图2所示。
3.2串口配置
通过[PortName]属性获取或设置通信端口,包括但不限于所有可用的COM端口,该属性返回类型为String,PortName正常返回值为COM1、COM2……。SerialPort控件分别用[BaudRate]、[Parity]、[DataBits]、[StopBits]属性设置通信格式中的波特率、数据位、停止位和校验位[9]。
3.3串口读取数据
当初始化工作结束,打开串口时,SerialPort会创建一个监听线程ListenThread,在这个线程中,等待注册的串口中断,当收到中断后,会调用DataReceived事件[10],根据已设定的通信协议,运用Read方法读取数据并完成数据的解析。调用完成后,继续进入循环等待,直到串口被关闭退出线程。
3.4关闭串口
通信结束后,通过调用Close()方法关闭串口。
4结论
经过验证,本文设计的上位机软件与下位机实现了很好的配合,能够充分完成电能质量各个参数的实时检测与显示。同时将全新的WPF技术应用到上位机软件的开发中,使软件开发简单化、界面美观化、功能强大化。
参考文献
[1] 叶敦范,刘鑫,李亚敏,等.一种电源智能测试仪的设计与实现[J].电子技术应用,2014,40(5):9396.
[2] Su Haikang, Sheng Jin. Application of video anaglyph maker for 3-D flow simulation[J]. Journal of Hydrodynamics,2010,22(2):289294.
[3] MACDONALD M. WPF编程宝典[M].王德才,译.北京:清华大学出版社,2011.
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[5] 刘亚雷,于艳美,孟春宁,等.一种便携式水下图像实时采集系统软件设计[J].微型机与应用,2015, 34 (19):2023.
[6] MAGDA Y. Serial port controls ADC[J]. Test & Measurement World,2008,28(9):22.
[7] 李江全,邓红涛,刘巧,等. Visual C#.NET串口通信及测控应用典型实例[M].北京:电子工业出版社,2012.
[8] 王文泉. 基于SerialPort的串口通信系统实现[J]. 科技广场,2011(5):2123.
[9] 李丽萍,魏权利.NET中SerialPort类在短信收发软件中的应用[J]. 微型机与应用,2012,31(21):1113.
[10] Zhang Tao. Research and application of serial communication modules based on VB[J]. Energy Procedia,2013,180:10291033.