鄭恒持，蔣丁宇，盧興泉，劉泊江

　?。ù筮B海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

　　摘要：電能質(zhì)量直接影響著電力系統(tǒng)能否安全運行，為了能及時可靠地檢測電能質(zhì)量，采用全新的Windows Presentation Foundation（WPF）技術(shù)，設(shè)計了一款電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件。從工業(yè)控制上位機(jī)軟件的特點出發(fā)，實現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信，繪制了實時數(shù)據(jù)波形圖及諧波波形圖，完成了檢測數(shù)據(jù)的清晰顯示。該系統(tǒng)人機(jī)界面美觀，操作方便，數(shù)據(jù)存儲量大，功能完善。

　　關(guān)鍵詞：WPF；串口；波形圖；數(shù)據(jù)顯示

0引言

　　隨著電子電氣設(shè)備的不斷增多及設(shè)備功能的完善，人們對電能質(zhì)量的要求也越來越高。電能質(zhì)量檢測是評估電能質(zhì)量水平、發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題的主要手段［1］。

　　WPF是基于.NET Framework框架的面向下一款操作系統(tǒng)的圖形化桌面應(yīng)用設(shè)計軟件［2］，本文采用WPF界面實現(xiàn)技術(shù)，運用C#語言編寫邏輯代碼，設(shè)計一款功能強(qiáng)大的電能質(zhì)量檢測上位機(jī)軟件。

1WPF概述

　　1.1WPF體系結(jié)構(gòu)

　　WPF使用的是一個多層體系結(jié)構(gòu)。在頂層，由應(yīng)用程序和一個完全由托管的C#程序編寫的一組高層服務(wù)交互。將NET對象轉(zhuǎn)化成Direct3D紋理和三角形的實際工作，在后臺由一個名為milcore.dll的低級非托管組件完成。milcore.dll是使用非托管代碼實現(xiàn)的，因為它要與Direct3D緊密集成，而且它對性能十分敏感。需要明確的事實是，在WPF中幾乎所有繪圖內(nèi)容都是由Direct3D渲染的，甚至二維圖形和普通文本也被轉(zhuǎn)換為三角形傳送到Direct3D管線，而不是使用GDI+或User32渲染圖形［3］。

　　1.2WPF優(yōu)點

　　WPF是全新的編程模型，底層圖形技術(shù)不再是GDI/GDI+，而是以DirectX作為核心繪圖函數(shù)。DirectX繪圖時會將盡可能多的工作交給圖形處理單元（GPU）處理，WPF會將CPU和GPU分開利用［4］，因為GPU的浮點計算能力遠(yuǎn)高于CPU，從而保證了大量計算的優(yōu)先性，同時也能最小化CPU使用率。DirectX繪圖速度高于GDI/GDI+，能產(chǎn)生更好的視覺效果。對于大量的浮點運算圖形來說，WPF是一個很好的選擇。同時，WPF能夠根據(jù)系統(tǒng)DPI設(shè)置，非常靈活地放大和縮小顯示內(nèi)容，以使其適合所使用的顯示器。

2上位機(jī)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1界面設(shè)計

　　系統(tǒng)界面主要由串口參數(shù)設(shè)置區(qū)、電能質(zhì)量參數(shù)顯示區(qū)、實時數(shù)據(jù)波形區(qū)、通道選擇區(qū)以及實時數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)5部分組成。圖1為上位機(jī)界面。

　　2.2上位機(jī)軟件功能實現(xiàn)

　　本上位機(jī)軟件主要的功能是將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)解析并顯示，同時繪制波形圖來清晰地展現(xiàn)檢測的電能質(zhì)量。

　　2.2.1實時數(shù)據(jù)波形圖的繪制

　　上位機(jī)軟件往往需要顯示各種信號的變化，這時經(jīng)常需要波形圖［5］。波形圖能夠直觀地反映出信號的變化及走勢，有助于分析檢測信號。雖然WPF本身的繪圖功能非常強(qiáng)大，但是如果每種圖表都要自己重新去實現(xiàn)一次的話，工作量就會變得異常大。這時就非常有必要使用一種專業(yè)的圖表生成工具Visifire。

　　Visifire是一款適用于微軟平臺下的控件，能夠用于WPF、Sliverlight、SharePoint以及WindowsPhone平臺，并且各平臺使用相同的API，易于開發(fā)和跨平臺使用［6］。本軟件的實時數(shù)據(jù)波形圖和實時諧波波形圖就是利用Visifire控件將采集來的信號點處理后繪制成曲線。其中曲線圖滿足以下特點：

　　（1）通過Chart的ScrollingEnabled屬性實現(xiàn)圖表的滾動功能；

　?。?）可以通過ZoomingEnabled和ZoomingMode實現(xiàn)鼠標(biāo)框選放大和鼠標(biāo)滾輪放大或縮??；

　　（3）Demo已經(jīng)實現(xiàn)，原理是Series［0］.DataPoints綁定DataPoints值集合時，按需求移出該集合的第一個點并添加最后一個點，界面圖會跟隨變化；

　?。?）將Chart的ToolBarEnabled的屬性值設(shè)置為true，則將鼠標(biāo)指針移動到圖表上時右上角會顯示導(dǎo)出、打印的圖標(biāo)。

　　2.2.2實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示

　　數(shù)據(jù)顯示主要包括了電能質(zhì)量參數(shù)、實時檢測數(shù)據(jù)、諧波數(shù)據(jù)的顯示。其中由于實時檢測數(shù)據(jù)較多，因此顯示最為復(fù)雜。這里使用DataGrid控件。DataGrid是WPF中功能最完備的數(shù)據(jù)顯示工具。它將數(shù)據(jù)分割到包含行和列的網(wǎng)格中，每行都與一個單獨的對象相對應(yīng)，每列與該對象的一個屬性相對應(yīng)。創(chuàng)建DataGrid關(guān)鍵是去定義列。

　　這里使用繼承自DataGridColumn的DataGridColumn類來動態(tài)地生成列。這種列對于大部分?jǐn)?shù)據(jù)類型是標(biāo)準(zhǔn)選擇。當(dāng)定義列時，幾乎總是設(shè)置3個細(xì)節(jié)：在列頂部顯示的題頭文本、列的寬度以及獲取數(shù)據(jù)綁定。

　　列的題頭可以通過設(shè)置DataGridColumn.Header屬性實現(xiàn)，但不必限制為普通文本。列的題頭是內(nèi)容控件可以為Header屬性提供任何內(nèi)容，包括圖像或者具有元素組合的布局面板。

　　列的寬度可以通過設(shè)置DataGridColumn.Width屬性和DataGrid.ColumnWidth來實現(xiàn)。二者唯一的區(qū)別是前者屬性應(yīng)用于單個列，而后者為整個表中所有的列設(shè)置默認(rèn)寬度，而且當(dāng)設(shè)置前者時會覆蓋后者。

　　最重要的細(xì)節(jié)是為列提供恰當(dāng)?shù)男畔⒔壎ū磉_(dá)式，通過設(shè)置DataGridColumn.Binding屬性提供該綁定表達(dá)式。如果把Binding比作數(shù)據(jù)的橋梁，那么它的兩端分別是Binding的源和目標(biāo)。

3串口通信

　　電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)由以單片機(jī)為核心的采集板卡完成數(shù)據(jù)的采集，由上位機(jī)軟件通過特定的算法完成對各個復(fù)雜參數(shù)的處理并顯示，所以需要兩者之間實現(xiàn)通信，這里使用異步串行通信。采用WPF開發(fā)串口通信程序主要有3種方法：第一種方法是通過MSComm控件；第二種方法是采用微軟在.NET中推出的一個串口控件SerialPort；第三種方法是用API函數(shù)［7］。為方便起見，使用了SerialPort控件。

　　3.1SerialPort控件使用流程

　　在使用SerialPort控件實現(xiàn)串口通信時，首先應(yīng)該根據(jù)設(shè)計要求構(gòu)建出程序設(shè)計的框架，接著設(shè)置通信對象、通信端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位，再根據(jù)需求編寫相應(yīng)的實現(xiàn)程序完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接著完成數(shù)據(jù)解析和處理，最后關(guān)閉通信端口［8］，通信過程如圖2所示。

　　3.2串口配置

　　通過［PortName］屬性獲取或設(shè)置通信端口，包括但不限于所有可用的COM端口，該屬性返回類型為String，PortName正常返回值為COM1、COM2……。SerialPort控件分別用［BaudRate］、［Parity］、［DataBits］、［StopBits］屬性設(shè)置通信格式中的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位［9］。

　　3.3串口讀取數(shù)據(jù)

　　當(dāng)初始化工作結(jié)束，打開串口時，SerialPort會創(chuàng)建一個監(jiān)聽線程ListenThread，在這個線程中，等待注冊的串口中斷，當(dāng)收到中斷后，會調(diào)用DataReceived事件［10］，根據(jù)已設(shè)定的通信協(xié)議，運用Read方法讀取數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的解析。調(diào)用完成后，繼續(xù)進(jìn)入循環(huán)等待，直到串口被關(guān)閉退出線程。

　　3.4關(guān)閉串口

　　通信結(jié)束后，通過調(diào)用Close（）方法關(guān)閉串口。

4結(jié)論

　　經(jīng)過驗證，本文設(shè)計的上位機(jī)軟件與下位機(jī)實現(xiàn)了很好的配合，能夠充分完成電能質(zhì)量各個參數(shù)的實時檢測與顯示。同時將全新的WPF技術(shù)應(yīng)用到上位機(jī)軟件的開發(fā)中，使軟件開發(fā)簡單化、界面美觀化、功能強(qiáng)大化。

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