关于便携式程控电源上位机的研究

作者：张毅                        

   上位机的小型化已成为未来发展的趋势。针对目前这种情况，本文设计了一种配套程控三相交流电源的小型化、便于携带的上位机设备。

1硬件平台和操作系统选择

    考虑到小型化和开发周期因素，硬件选用深圳扬创科技研发生产的ePC-A104s工业平板电脑，该产品是一种采用ARM Cortex A8嵌入式CPU、512MBytes DDR2 SDRAM，基于WinCE操作系统的高性能嵌入式工业平板电脑；配置了10.4英寸高亮度TFT真彩液晶屏，四线电阻式触摸屏；具有2路带隔离RS-232接口和1路带隔离RS-485接口。

    ARM Cortex-A8处理器是第一款基于ARMv7架构的应用处理器，速率可以在600 MHz～1 GHz的范围内调节，是一款超标量处理器。

    Windows CE操作系统与Windows系列具有很好的兼容性，是一种针对小容量、移动式、智能化的实时嵌入式操作系统。模块化设计是其最大的特点，它可以用于进行专门的工业控制器设备定制。由于其和Windows系统的相似性，熟悉PC机上Windows编程的设计者可以很快熟悉WinCE应用程序设计，大大缩短了产品的开发周期和难度，并且利用其控件可以较好地设计出人机界面。WinCE操作系统具有功能强大、兼容性好、开发周期短，开发环境熟悉等优势，本设计中采用WinCE作为嵌入式平台的操作系统。

2编程工具选择

    目前PC机上编程开发工具按技术类型可分为两大类：面向对象的编程技术和图形编程技术。两者在编程开发中都有着广泛的应用，它们各有所长。可视化编程语言环境Visual C++、EVC等属于面向对象的编程技术，可以用来开发应用软件，比起图形编程语言，其编程难度较大、开发周期较长且不易进行更改、  升级和维护等。

    图形编程语言与面向对象的编程语言相比，入门比较容易、编程简单且开发周期短，能快速开发出界面美观的应用程序，且功能强大，具有很强的数据处理功能，这些优势使其正日益成为业界主流的开发环境。其中NI公司的LabVIEW，LabWINDOWS/CVI和HP公司的VEE等软件使用的比较广泛。

    由于测试软件是运行在Windows CE操作系统上，所以采用的是NI公司的LabVIEW开发环境。Lab-VIEW不同于传统的编程语言，它是一种图形化的编程语言，不用编写程序代码，而是使用图形化程序设计语言G。该语言可以大大简化编程难度，极大缩短软件的开发周期，系统操作方便、功能扩展灵活，可以根据用户的不同需求增加不同的功能模块。LabVIEW通常运行在PC机中，若实现在WinCE平台下则需要利用LabVIEW for Touch Panel模块。LabVIEW运行在嵌入式操作系统的实例还较少，本文利用LabVIEW实现在WinCE下的软件设计具有重要的意义。

  3软件总体设计

  3.1软件设计

    上位机是针对三相交流程控电源专门设计开发，该电源具有RS-485串行通信接口，能够通过程控命令查询电源的输出参数、设置电源的输出电压、控制电源输出接通或断开。上位机与电源是通过RS-485硬件接口连接。

    上位机采用的是WinCE嵌入式操作系统，通过LabVIEW2010编写应用程序，完成对程控电源参数的采集、显示和处理。在软件开发中，为了实现对程控电源的周期性巡检、设定参数、输出控制及响应触摸按键等各种功能，软件结构采用标准状态机的设计模式解决处理不同程序模块的跳转。状态机可以清楚地实现利用状态图描述的方法，在状态图的每个状态中完成相应的动作。根据功能的不同分为两个部分：外界通信模块、人机界面交互模块。外界通信模块负责周期性查询程控电源的运行参数，并进行正确性校验，同时转换为可显示的字符提供给用户。人机界面交互模块负责响应触摸按键，并进行数据和状态的显示。

  3.2界面设计

    工作主界面设计了四个部分：参数显示窗口区、电压设置调整区、输出控制指示区、状态指示区等，如图1所示。

    上电运行后，工作灯周期性闪烁，当通信正常后，会显示电源各参数，包括三相电压、电流、输出功率和频率等。电源运行中异常情况的发生，是通过状态灯变红来指示。要设置调整电压，只要旋转面板的触摸旋钮即可，电压值会显示在上方的窗口内。本电源的设置范围被限制在31~ 41 V之间。对输出的控制，是通过控制状态指示区右边的上下拨动开关完成，输出成功后，开关上方的指示灯会点亮。如果与程控电源通信不正常，右下角的通信故障指示灯会持续点亮指示，直到通信恢复正常。

4主要程序模块

4.1初始化模块

    上位机开机后，首先启动WinCE操作系统内核，然后配置硬件参数，系统准备好后，加载测试系统软件，进入测试软件工作界面。在进人工作界面以前需要进行参数初始化，如图2所示，RS-485串口终端参数初始化，包括端口号(2)、波特率(9600)等，其他参数为默认值。显示参数变量的初始化包括三相电压、电流、功率、频率等。另外，还要初始化系统运行需要的中间状态变量、通信故障指示灯等。

4.2参数读取模块

    上位机需要读取交流电源11种参数，针对不同参数，需要发送不同的命令，不同的命令可能数据长度不一样，但程序结构是相似的。下面仅对读取A相电压的程序进行说明。读取A相电压的图形化程序如图3所示，利用三帧顺序结构设计。第一帧发送读取电压的数据序列命令，包含对串口的写操作，记录发送命令的时刻。第二帧循环等待电源回送指定参数，帧中包  升级和维护等。

    图形编程语言与面向对象的编程语言相比，入门比较容易、编程简单且开发周期短，能快速开发出界面美观的应用程序，且功能强大，具有很强的数据处理功能，这些优势使其正日益成为业界主流的开发环境。其中NI公司的LabVIEW，LabWINDOWS/CVI和HP公司的VEE等软件使用的比较广泛。

    由于测试软件是运行在Windows CE操作系统上，所以采用的是NI公司的LabVIEW开发环境。Lab-VIEW不同于传统的编程语言，它是一种图形化的编程语言，不用编写程序代码，而是使用图形化程序设计语言G。该语言可以大大简化编程难度，极大缩短软件的开发周期，系统操作方便、功能扩展灵活，可以根据用户的不同需求增加不同的功能模块。LabVIEW通常运行在PC机中，若实现在WinCE平台下则需要利用LabVIEW for Touch Panel模块。LabVIEW运行在嵌入式操作系统的实例还较少，本文利用LabVIEW实现在WinCE下的软件设计具有重要的意义。

  3软件总体设计

  3.1软件设计

    上位机是针对三相交流程控电源专门设计开发，该电源具有RS-485串行通信接口，能够通过程控命令查询电源的输出参数、设置电源的输出电压、控制电源输出接通或断开。上位机与电源是通过RS-485硬件接口连接。

    上位机采用的是WinCE嵌入式操作系统，通过LabVIEW2010编写应用程序，完成对程控电源参数的采集、显示和处理。在软件开发中，为了实现对程控电源的周期性巡检、设定参数、输出控制及响应触摸按键等各种功能，软件结构采用标准状态机的设计模式解决处理不同程序模块的跳转。状态机可以清楚地实现利用状态图描述的方法，在状态图的每个状态中完成相应的动作。根据功能的不同分为两个部分：外界通信模块、人机界面交互模块。外界通信模块负责周期性查询程控电源的运行参数，并进行正确性校验，同时转换为可显示的字符提供给用户。人机界面交互模块负责响应触摸按键，并进行数据和状态的显示。

  3.2界面设计

    工作主界面设计了四个部分：参数显示窗口区、电压设置调整区、输出控制指示区、状态指示区等，如图1所示。

    上电运行后，工作灯周期性闪烁，当通信正常后，会显示电源各参数，包括三相电压、电流、输出功率和频率等。电源运行中异常情况的发生，是通过状态灯变红来指示。要设置调整电压，只要旋转面板的触摸旋钮即可，电压值会显示在上方的窗口内。本电源的设置范围被限制在31~ 41 V之间。对输出的控制，是通过控制状态指示区右边的上下拨动开关完成，输出成功后，开关上方的指示灯会点亮。如果与程控电源通信不正常，右下角的通信故障指示灯会持续点亮指示，直到通信恢复正常。

4主要程序模块

4.1初始化模块

    上位机开机后，首先启动WinCE操作系统内核，然后配置硬件参数，系统准备好后，加载测试系统软件，进入测试软件工作界面。在进人工作界面以前需要进行参数初始化，如图2所示，RS-485串口终端参数初始化，包括端口号(2)、波特率(9600)等，其他参数为默认值。显示参数变量的初始化包括三相电压、电流、功率、频率等。另外，还要初始化系统运行需要的中间状态变量、通信故障指示灯等。

4.2参数读取模块

    上位机需要读取交流电源11种参数，针对不同参数，需要发送不同的命令，不同的命令可能数据长度不一样，但程序结构是相似的。下面仅对读取A相电压的程序进行说明。读取A相电压的图形化程序如图3所示，利用三帧顺序结构设计。第一帧发送读取电压的数据序列命令，包含对串口的写操作，记录发送命令的时刻。第二帧循环等待电源回送指定参数，帧中包含有一循环结构，通过不断地查询串口接收缓冲区数据的数量，如果接收到预定的9个数据，则退出该循环；如果长时间收不到足够的数据，则判断是否接收超时，超时的判读依据是通过时间记录器T3与T1相比较，所得差与预定的最大时间200 ms进行比较，超过则认为发生超时错误；超时错误发生也会导致循环退出，防止死循环发生。第三帧接收电源发来的数据，帧中包含对串口接收缓冲区中数据的读取、对有效数据的分离提取、数据类型转换和一个case处理结构。case结构中有两个分支False和True，False分支是对故障情况的处理，True分支是把有效电压值赋予显示变量，供界面显示。

4.3设置控制模块

    设置控制模块包括输出电压的设置、输出通道的通断等，程序包含了命令合成、通信校验算法生成等。下面仅对电压的设置进行介绍，设置电压命令包括预先设计的固定命令数据、变化的待设置电压和校验码组成。如图4所示，帧中左边为命令生成部分，固定设置电压命令序列通过字符串合成单元完成与设置电压的合并，把合并后的数据经过后边由for循环、while循环和case结构组成的CRC校验计算单元计算出相应的校验码，经过后边的字符串合成单元把整个要下达的命令合并，一起写入串口发送缓冲区，完成一次电压的更改命令。

5结束语

本文基于WinCE操作系统和图形化编程语言LabVIEW，设计了一种便携式电源上位机，并已经成功用于对交流程控电源的监测，通过记录大量的监测数据，可以分析电源的工作情况。试验证明，该上位机具有运行稳定、可靠性高、成本低等优点。另外，通过对上位机程序模块的更改或添加，便可对其他程控电源或设备进行监测和控制，可扩展性良好。

6摘要：给出了一种便携式程控电源上位机的方案设计，该系统以运行WinCE操作系统的工业平板电脑为硬件平台，利用图形化编程语言LabVIEW进行编程，通过RS -485方式与电源串行通信，实现对电源的电压参数调整和输出控制，监测电源的输出参数和运行状态。重点介绍了上位机的工作界面设计和通信程序的图形化编程。