基于WPF的电能质量检测系统上位机软件设计

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。

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.

［4］ 李成刚，冯静，凌琳. 基于WPF的交互式绘图系统的开发［J］.微型机与应用，2011，30（6）:50.

［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.