鄭恒持，蔣丁宇，盧興泉，劉泊江

　　（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

　　摘要：電能質量直接影響著電力系統能否安全運行，為了能及時可靠地檢測電能質量，采用全新的Windows Presentation Foundation（WPF）技術，設計了一款電能質量檢測系統上位機軟件。從工業控制上位機軟件的特點出發，實現了上位機與下位機的串口通信，繪制了實時數據波形圖及諧波波形圖，完成了檢測數據的清晰顯示。該系統人機界面美觀，操作方便，數據存儲量大，功能完善。

　　關鍵詞：WPF；串口；波形圖；數據顯示

0引言

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

　　WPF是基于.NET Framework框架的面向下一款操作系統的圖形化桌面應用設計軟件［2］，本文采用WPF界面實現技術，運用C#語言編寫邏輯代碼，設計一款功能強大的電能質量檢測上位機軟件。

1WPF概述

　　1.1WPF體系結構

　　WPF使用的是一個多層體系結構。在頂層，由應用程序和一個完全由托管的C#程序編寫的一組高層服務交互。將NET對象轉化成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中幾乎所有繪圖內容都是由Direct3D渲染的，甚至二維圖形和普通文本也被轉換為三角形傳送到Direct3D管線，而不是使用GDI+或User32渲染圖形［3］。

　　1.2WPF優點

　　WPF是全新的編程模型，底層圖形技術不再是GDI/GDI+，而是以DirectX作為核心繪圖函數。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的浮點計算能力遠高于CPU，從而保證了大量計算的優先性，同時也能最小化CPU使用率。DirectX繪圖速度高于GDI/GDI+，能產生更好的視覺效果。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能夠根據系統DPI設置，非常靈活地放大和縮小顯示內容，以使其適合所使用的顯示器。

2上位機軟件設計與實現

　　2.1界面設計

　　系統界面主要由串口參數設置區、電能質量參數顯示區、實時數據波形區、通道選擇區以及實時數據監測區5部分組成。圖1為上位機界面。

　　2.2上位機軟件功能實現

　　本上位機軟件主要的功能是將單片機采集的數據解析并顯示，同時繪制波形圖來清晰地展現檢測的電能質量。

　　2.2.1實時數據波形圖的繪制

　　上位機軟件往往需要顯示各種信號的變化，這時經常需要波形圖［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大，但是如果每種圖表都要自己重新去實現一次的話，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，易于開發和跨平臺使用［6］。本軟件的實時數據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屬性實現圖表的滾動功能；

　　（2）可以通過ZoomingEnabled和ZoomingMode實現鼠標框選放大和鼠標滾輪放大或縮小；

　　（3）Demo已經實現，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；

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

　　2.2.2實時監測數據的顯示

　　數據顯示主要包括了電能質量參數、實時檢測數據、諧波數據的顯示。其中由于實時檢測數據較多，因此顯示最為復雜。這里使用DataGrid控件。DataGrid是WPF中功能最完備的數據顯示工具。它將數據分割到包含行和列的網格中，每行都與一個單獨的對象相對應，每列與該對象的一個屬性相對應。創建DataGrid關鍵是去定義列。

　　這里使用繼承自DataGridColumn的DataGridColumn類來動態地生成列。這種列對于大部分數據類型是標準選擇。當定義列時，幾乎總是設置3個細節：在列頂部顯示的題頭文本、列的寬度以及獲取數據綁定。

　　列的題頭可以通過設置DataGridColumn.Header屬性實現，但不必限制為普通文本。列的題頭是內容控件可以為Header屬性提供任何內容，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置DataGridColumn.Width屬性和DataGrid.ColumnWidth來實現。二者唯一的區別是前者屬性應用于單個列，而后者為整個表中所有的列設置默認寬度，而且當設置前者時會覆蓋后者。

　　最重要的細節是為列提供恰當的信息綁定表達式，通過設置DataGridColumn.Binding屬性提供該綁定表達式。如果把Binding比作數據的橋梁，那么它的兩端分別是Binding的源和目標。

3串口通信

　　電能質量檢測系統由以單片機為核心的采集板卡完成數據的采集，由上位機軟件通過特定的算法完成對各個復雜參數的處理并顯示，所以需要兩者之間實現通信，這里使用異步串行通信。采用WPF開發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［7］。為方便起見，使用了SerialPort控件。

　　3.1SerialPort控件使用流程

　　在使用SerialPort控件實現串口通信時，首先應該根據設計要求構建出程序設計的框架，接著設置通信對象、通信端口、波特率、數據位、停止位，再根據需求編寫相應的實現程序完成數據的接收和發送，接著完成數據解析和處理，最后關閉通信端口［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］屬性設置通信格式中的波特率、數據位、停止位和校驗位［9］。

　　3.3串口讀取數據

　　當初始化工作結束，打開串口時，SerialPort會創建一個監聽線程ListenThread，在這個線程中，等待注冊的串口中斷，當收到中斷后，會調用DataReceived事件［10］，根據已設定的通信協議，運用Read方法讀取數據并完成數據的解析。調用完成后，繼續進入循環等待，直到串口被關閉退出線程。

　　3.4關閉串口

　　通信結束后，通過調用Close（）方法關閉串口。

4結論

　　經過驗證，本文設計的上位機軟件與下位機實現了很好的配合，能夠充分完成電能質量各個參數的實時檢測與顯示。同時將全新的WPF技術應用到上位機軟件的開發中，使軟件開發簡單化、界面美觀化、功能強大化。

參考文獻

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　　［8］ 王文泉. 基于SerialPort的串口通信系統實現［J］. 科技廣場,2011(5):2123.

　　［9］ 李麗萍,魏權利.NET中SerialPort類在短信收發軟件中的應用［J］. 微型機與應用,2012,31(21):1113.

　　［10］ Zhang Tao. Research and application of serial communication modules based on VB［J］. Energy Procedia,2013,180:10291033.