（信号与信息处理专业论文）pc机对嵌入式设备控制软件的研究与实现.pdf

摘要 随着研究领域和工业领域对嵌入式设备的功能要求越来越多，这势必引起 嵌入式设备的升级工作越来越频繁。但是这种升级工作要求对需升级的嵌入式 设备本身有全面而深入的了解，否则升级工作就要冒很大的风险。但如果嵌入 式设备配有数据和操作命令的通信接口，并将系统的功能扩展在上位机上实现， 不失为一种简单而有效的途径。基于这种思路，本人设计了一种p c 机对嵌入式 设备实施控制的软件系统，并成功的对一台嵌入式设备实施了功能扩展。 本文阐述了一种基于p c 机对嵌入式设备实施控制的解决方案。该设计的 嵌入式设备为一台基于f p g a 的三相功率源，它通过u s b 接口与p c 机进行数 据和操作命令的通信，设计重点在于p c 机上的应用程序开发。该方案以u s b 2 0 传输协议为基础，制定了p c 机与嵌入式功率源双向的通信协议。然后利用驱动 程序提供的应用程序接口函数在v i s u a lc + + 6 0 中开发上位机应用程序。 文中首先介绍课题研究的背景及意义，然后说明了嵌入式三相功率源的功 能用途，还包括其硬件设计和软件设计部分，并详细叙述了对于u s b 通信部分 嵌入式设备所要完成的工作。接着设计了p c 机与嵌入式设备双方通信协议，如 请求应答数据格式和其他命令格式等。 其次，文中概述了u s b 设备驱动的安装过程及驱动提供的应用程序接口函 数的功能及用法。本设计的重点在于利用v i s u a lc + + 6 o 设计与u s b 设备通信的 应用程序。该程序是一个基于对话框的m f ca p p w i z a r d ( e x e ) 的工程，它在打开 设备后会通过u s b 接口向嵌入式设备请求数据并将参数显示在程序主界面上。 在v i s u a lc + + 6 o 中完成的应用程序包括接口操作模块、操作设置模块、幅 值校准模块和示波器显示模块等几个部分，每个部分都包含与u s b 设备的上传 下传操作。其中接口操作模块主要显示u s b 的插入状态；操作设置模块可以设 置操作步骤，为设备制定执行任务书；幅值校准模块可以补偿设备由于温漂造 成的幅值波动；示波器模块则是更直观的反应电压及电流的关系。 最后，针对设计中高速数据通信所能达到的最大传输速度做了计算与分析， 并叙述了本设计存在的不足和原因，并结合目前的开发成果对该应用程序的改 进和u s b 高速数据通信的发展做出了展望。 关键词：v c + + 应用程序；u s b 接口与驱动；通信协议；嵌入式设备 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t hr e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tc o n t r o le q u i p m e n ti nr e s e a r c ha n d i n d u s t r yf i e l d ，t h eu p g r a d eo fe m b e d d e ds y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e f r e q u e n t l y b u t t h eu p g r a d ew o r k r e q u i r e d ac o m p r e h e n s i v ea n dt h o r o u g h u n d e r s t a n d i n go ft h a te m b e d d e de q u i p m e n t ，o t h e r w i s et h eu p g r a d ew o r kw i l lt a k ea l o to fr i s k s h o w e v e r , i ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a sd a t aa n do p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，a n dt h ee x p a n s i o nf u n c t i o no ft h es y s t e mc a nb er e a l i z e di np c ，w h i c hi sa s i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o d b a s e do nt h i si d e a , w ed e s i g n e das o f t w a r es y s t e mi n p ct h a tt h ee m b e d d e ds y s t e mc a nb ec o n t r o l l e db yp c ，a n dt h ef u n c t i o no ft h i s e m b e d d e de q u i p m e n th a sb e e ne x p a n d e ds u c c e s s f u l l yi np c t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fs o l u t i o na b o u th o wt or e a l i z et h ec o n t r o lt o e m b e d d e de q u i p m e n tb yp c t h ee m b e d d e de q u i p m e n to ft h i sd e s i g ni sat h r e e p h a s e p o w e r s o u r c eb a s e do nf p g a t h i se m b e d d e ds c o u r c ec o m m u n i c a t ew i t hp ct h r o u g h t h eu s bi n t e r f a c e t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o no np ci st h ek e yp o i i l to ft h i s d e s i g n t h i sd e s i g ns c h e m eu s eu s b 2 0t r a n s m i s s i o np r o t o c o la st h eb a s i s ，a n dt h e n m a k eac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e np ca n de m b e d d e d d e v i c e f i n a l l y , d e v e l o p a p p l i c a t i o ni nv i s u a lc 抖6 0u s i n ga p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c ef u n c t i o np r o v i d e d b yd r i v e r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c l a n dt h e ni n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n du s eo ft h ee m b e d d e dt h r e e p h a s ep o w e rs o u r c e ， i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fi t t h e nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb e t w e e np ca n de m b e d d e de q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y , f o re x a m p l e t h ef o r m a to fa s k i n ga n dr e s p o n s em o d e ，a n do t h e rc o m m a n df o r m a t w h a t sm o r e ， t h eb a s i co fu s bc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ti si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gu s bt o p o l o g y s t r u c t u r e ，u s be n u m e r a t i o np r o c e s sa n du s bb a gs t r u c t u r e ，e t c t h ed e s i g no f i n t e r f a c eb e t w e e nu s bc h i pa n dm i c r oc o n t r o l l e ri sa l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h eu s b i n s t a l l a t i o np r o c e s so fd e v i c ed r i v e r , a sw e l la sf u n c t i o na n du s a g eo fi n t e r f a c ef u n c t i o ni na p p l i c a t i o np r o g r a mp r o v i d e d b yd r i v e r t h ek e yp o i n to ft h i sd e s i g ni sd e v e l o p i n ga i la p p l i c a t i o ni nv i s u a lc + + 6 0 ， w h i c hc a l lc o m m u n i c a t ew i t hu s bd e v i c e t h i sa p p l i c a t i o nc r e a t e sa p r o j e c to fm f c a p p w i z a r d ( e x e ) i nv i s u a lc h 6 0 ，w h i c hw i l lr e q u e s td a t af r o mt h eg r o u n d - f l o o r d e v i c ei ne v e r y2 0 0 m st h r o u g hu s bi n t e r f a c e n l er e q u e s t e dd a t ai sc o n s i s to f a m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n dp h a s ed i f f e r e n c eo fc u r r e n ta n dv o l t a g e ，a n dt h e nt h i s r e q u e s t e dd a t aa n dw a v e f o r mg o t t e nb yt h i sd a t aw i l la l lb es h o wo nt h em a i nu s e r i n t e r f a c e t h ea p p l i c a t i o nc o m p l i c a t e di nv i s u a lc + + 6 0c o n t a i n ss e v e r a lp a n si n c l u d i n g i n t e r f a c eo p e r a t i o nm o d u l e ，s e t t i n go p e r a t i o nm o d u l e ，a m p l i t u d ec a l i b r a t i o nm o d u l e a n do s c i l l o s c o p em o d u l e ，n e a r l ya l lo fw h i c hh a v eu p l o a da n dd o w n l o a do p e r a t i o n w i t hu s bd e v i c e a m o n gt h e m i n t e r f a c eo p e r a t i o nm o d u l ec a nd i s p l a yt h ei n s e r t i o n s t a t u so fu s bd e v i c e s e t t i n go p e r a t i o nm o d u l ec a l ls e tt h eo p e r a t i o np r o c e d u r ea n d m a k ec o m m i t m e n t sf o re q u i p m e n t ，m a k i n gt h ee q u i p m e n tt oe x e c u t ea u t o m a t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h e s e ts t e p s a m p l i t u d ec a l i b r a t i o nm o d u l ec a nc o m p e n s a t et h e a m p l i t u d ef l u c t u a t i o nc a u s e db yt e m p e r a t u r ed r i f t o s c i l l o s c o p em o d u l ec a ng i v ea i n t u i t i v er e a c t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n t i nt h el a s to ft h ep a p e r , t h em a x i m u mt r a n s m i s s i o ns p e e dt h a th i g h - s p e e dd a t a c o m m u n i c a t i o nc a na c h i e v ei sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d n l es h o r t a g ea n dt h er e a s o n t ot h es h o r t a g ei nt h i sd e s i g na r ea l s od e s c r i b e d i nt h ee n d ，t h i sp a p e rh a sg i v e nt h e f u r t h e rr e s e a r c hs u g g e s t i o na b o u ti m p r o v i n gt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fu s b l l i g h - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：v c + + a p p l i c a t i o n ；i n t e r f a c e a n dt h ed r i v eo fu s b ；p r o t o c o lo f c o m p l i c a t i o n ；e m b e d d e dd e v i c e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及应用现状 课题的研究背景源于对一种基于f p g a 的嵌入式设备在p c 机上实施功能 扩展的研究。通过u s b 接口实现p c 机对嵌入式设备的高速数据通信和控制。 由于基于f p g a 的嵌入式设备的研发过程比较复杂，特别是硬件设计部分难于 升级维护，所以采用u s b 通信的方式将工作的重点转移到p c 的应用程序上， 在p c 机上扩展嵌入式设备的功能。 随着从1 9 8 5 年，x i l i n x 公司推出的全球第一款f p g a 产品x c 2 0 6 4 开始， 到2 0 0 7 年，f p g a 业晃双雄x i l i n x 和a l t e r a 公司纷纷推出的6 5 n m 工艺的f p g a 产品，f p g a 经历了一个从不知名配角到主角的蜕变l l j 。随着不断进步，f p g a 芯片面积缩小，价格下降，使用灵活，性能速度不断提升，f p g a 以其这样的优 势得到了市场的认可，同时基于f p g a 的各种嵌入式设备也逐渐风靡1 2 j 。现在， 许多电子、网络产品都采用c p l d 和f p g a ，如d v d 、t v 、游戏设备、空调、 p d a 、数字视频移动网络、无线局域网等 2 1 。 要实现p c 机对嵌入式设备的控制，需要在两者之间建立通信连接。目前 在国内外实现嵌入式设备与p c 机的通信的方式有多种，如通过串口、p c i 接口， 及u s b 接口【3 】；还有无线传输的方式，包括红外、蓝牙、单片无线收发器n r f 、 无线局域网w l a n 等。设计者采用哪种通信方式取决于要求通信的设备对数据 率的要求，也取决于通信双方的距离以及还要考虑到使用的便利性、设计的复 杂性和成本。 传统的串口虽然成本低、开发简单，但是它的的传输速率已经远不能满足 批量传输数据的要求。p c i 传输速率可达1 3 3 m b s 、2 6 6 m b s ，但是它不支持热 插拔，使用不便 4 1 。另一方面，无线传输方式虽然有使用便利的优势，但是成本 相对较高。 在u s b 2 0 的总线规范下，u s b 支持3 种传输速度：低速模式下上限为 1 5 m b s ，在全速模式下上限为1 2 m b s ，高速模式下上限为2 4 0 m b s ，完全能够 满足研究及工业需求，而且u s b 支持热插拔，使用十分便利1 5 】。现在i n t e l 等大 公司已经提出u s b 3 0 ( s u p e r s p e e du s b ) 规范，为那些与p c 机或音频高频设 备相连接的各种设备提供了一个标准接口，从键盘到高吞吐量磁盘驱动器，各 武汉理工大学硕士学位论文 种器件都能够采用这种低成本接1 3 进行平稳运行的即插即用连接【6 ，4 。新的u s b 3 0 在保持与u s b2 0 的兼容性的同时，还极大提高了带宽，可达到高达5 g b p s 全双工( u s b 2 0 则为4 8 0 m b p s 半双工) 通信l j 。 u s b 以其速度快、使用方便、成本低、开发便利等优点不断得到市场的接 受，但是它也有其缺点。u s b 协议规定单条u s b 线缆的长度不能超过5 m ，同 时可以通过集线器的方法将其进行连接，最多可接入5 个集线器将线缆距离延 伸为3 0 m t 羽。对于一般的应用场合，这一距离已经基本能够满足用户的需求。 现在，各种u s b 设备的开发与应用在市场中占有非常重要的地位。特别是 p c 机通过u s b 接口达到对设备的控制及功能扩展这类的使用逐渐变得广泛，如 自动控制领域、医学影像领域、信号处理领域等。在自动控制领域，p c 机上应 用程序解析a u t oc a d 图形形成数据流，并通过u s b 接1 3 控制加工机床1 9 1 ；在 医学影像领域，通过u s b 口达到对医学设备的控制，而且也可以将影像结果在 p c 机上进行保存【1o 】；在信号处理领域，通过u s b 接1 3 进行高速数据采集【1 1 ，4 2 1 ； 在电子消费品方面，智能手机通过u s b 口与p c 机的联系也非常紧密，如智能 手机与p c 机间通过应用软件上传下传通讯录等；另外，生活中高速的u s b 口 打印机己基本普及。 1 2 课题实现的意义 本次设计针对的嵌入式设备是一台以f p g a 为核心芯片的智能三相功率 源，p c 机应用程序软件在v i s u a lc + + 6 o 中进行开发。 在本次设计中，嵌入式三相功率源设备，我们希望通过高速的u s b 接口， 完成它和p c 机的通信，以便用户在p c 机上就可以对嵌入式设备进行操作控制， 同时在p c 机上获得嵌入式设备的关键参数。我们制定了p c 机和嵌入式设备双 方通信的数据传输协议格式，这样，p c 机可以迅速地处理上传的数据块，而嵌 入式设备也可以准确地分辨各种命令码，完成通信。 基于f p g a 的嵌入式设备的开发是一项相对比较复杂的工作【1 2 】。首先需要 进行电路的设计，在合理性和功能都满足的情况下进行制板；拿到设计好的板 卡后需要在集成环境q u a r t u si i 中对f p g a 进行硬件逻辑定制，并下载程序到 f p g a 中；最后还要在集成环境n i o si i 中进行相应的软件设计并下载，整个流 程需要耗费漫长的周期【1 3 , 4 3 】。若在设计完成后，需要新增某项功能，简单的情况 下需要修改原来设计的软件部分，若是涉及到硬件部分的调整和修改，则是非 2 武汉理工大学硕士学位论文 常不利于维护的。 我们解决这种问题的方式是将原设备的重要输出参数通过u s b 口传输给 p c 机，由p c 机上的v c + + 应用程序来完成新增加的业务功能，进行二次开发， 这样不需要拆卸硬件设备就能达到所需的目的。而且，在v c + + 中还能建立美观 的人机交互界面，便于操作【l4 1 。 我们必须看到的是，通过这样的二次开发的方法更新嵌入式设备功能是极 其重要而且方便的。利用嵌入式设备通过u s b 口上传的数据，我们在p c 机上 可以任意的扩展所需要的功能，而不再涉及到嵌入式的复杂的开发流程，开发 的同时不用顾忌新增功能对设备原有功能的影响。例如，本设计在p c 机应用软 件中扩展了操作设置功能、幅值校准功能、功率计算功能和示波器功能。这里 的每种功能，可能在基于f p g a 的嵌入式设备开发中都可以完成，但是必须复 杂的劳动，开发成本高。通过这种二次开发的方式，就可以将功能扩展的重心 转移到p c 机上来，我们可以充分利用w i n d o w s 下开发应用程序的便利性，无 限制的扩展嵌入式设备的各种其他功能。这种开发方式，缩短了开发周期，提 高了嵌入式设备开发的的可维护性及灵活性，是非常有价值的。 1 3 课题的主要工作 本课题主要设计了一种p c 机对嵌入式三相功率源的应用软件，利用u s b 接口在p c 机上扩展嵌入式设备的功能。 嵌入式设备与p c 机通过u s b 接口的完成数据通信系统包括三个重要的过 程”】：嵌入式设备的设计、u s b 设备驱动和v c + + 中的应用程序设计，系统模 块图如图1 1 所示。 p c 訾叵 u s b 机 设备i 一舀片 设备 应 驱动 用 程 序 图1 1 系统模块图 3 武汉理工人学硕士学位论文 本课题完成工作的重点在两个方面，第一，p c 机与嵌入式设备通信协议和 命令格式的制定；第二，p c 机上关于嵌入式设备功能扩展应用软件的设计。 p c 机与嵌入式设备的通信协议是指通信双方( p c 机和嵌入式设备) 都共 同认可的一种通信方式，包括请求命令格式、应答数据格式、各个按键命令格 式、六通道校准命令格式。这些数据和命令都通过u s b 传输协议在p c 机和嵌 入式设备之间进行传输。 p c 机上的应用软件在v i s u a lc + + 6 0 中进行开发，该软件包括以下五个模 块： ( 1 ) 数值波形显示及按键控制。数值显示是根据从嵌入式设备上传的数据 块中得到的，根据数值分别在直角坐标系和极坐标系中显示波形。按键控制是 向嵌入式设备下传各种控制命令，达到用户希望设置的结果。 ( 2 ) 接口操作模块。可是实时监控并指示是否有目的u s b 设备插入。 ( 3 ) 操作设置模块。操作设置模块包括操作流程设置部分和打开流程文件 部分，操作流程设置部分为用户提供流程设置界面，即方便用户为嵌入式设备 设定将要执行的任务书，该任务书可以保存在硬盘上，以便下次使用；打开流 程文件即打开制定好的任务书，将任务书的内容下传给嵌入式设备。根据该任 务书上的指令，嵌入式设备可以自行执行。 ( 4 ) 幅值校准模块。幅值校准模块是非常实用的一项扩展功能，它使用补 偿的方法方便地解决了电阻值随温度的变化而使设备输出产生的误差的问题。 若不是采用这种p c 机上二次开发的方法，每次温度变化产生过大误差时，都必 须打开设备后盖调节电位器达到调整的目的，比较麻烦，不便操作。 ( 5 ) 示波器显示模块。示波器模块更加清晰直观地展示了波形，可在同一 坐标轴下同时指示电压幅值和电流幅值。 1 4 本论文的组织结构 本文结构按照p c 机与嵌入式三相功率源通信和扩展功能设计的前后予以 展开，各个章节的内容分布如下： 第l 章主要介绍了论文的研究背景，并介绍了国内外目前的应用现状，而 且概述了课题实现的意义及主要工作内容，最后介绍了论文的组织结构。 第2 章阐述了嵌入式设备的用途和功能，及它的硬件系统设计和软件设 计，特别说明了u s b 通信软件的设计部分。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章设计了通信协议的协议格式、命令码的格式，简要分析了c h 3 7 6 s 芯片的通信规则，最后说明了u s b 通信接口设计。 第4 章深入分析了c h 3 7 6 芯片提供的驱动及设备驱动a p i 函数的使用。 第5 章进行了p c 机上应用程序的设计。应用程序包括上传数据的处理、 图形显示模块，以及扩展的操作流程设置模块、校准模块和示波器显示模块。 论文最后的总结与展望部分，主要总结了整个设计的主要工作，然后叙述 了不足和需要改进的地方。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式三相功率源的设计简介 2 1 三相功率源的基本功能 本设计中所涉及的嵌入式设备是一台三相功率源，它可以产生六路恒定的 三相电压电流信号，可用于生产和检定电力测控设备。 该三相功率源具备的主要功能有： ( 1 ) 可以恒定的输出对称或者不对称的三相电压信号，每一相的电压有效 值为1 v - 2 8 0 v ，且每一相的电压都是独立可调的。 ( 2 ) 可以恒定的输出对称或者不对称的三相电流信号，每一相的电流有效 值为0 1 a 1 0 a ，且每一相的电流都是独立可调的。 ( 3 ) 电流和电压之间的相位差由用户设定，调整范围从o 度到3 6 0 度。其 输出频率也是可调的，调整范围从4 5 h z 到3 5 0 h z 。 ( 4 ) 该功率源可以自动完成渐进操作，包括电压电流幅值、相位差和频率 的渐进操作。设置初值、终值和步长值后可自动完成渐进操作，减少了人工重 复。 ( 5 ) 该功率源与p c 机建立二次开发接口，即u s b 接e l ，由计算机软件来 完成特定的功能。 2 2 基于n i o si i 的f p g a 开发流程 由于三相功率源为基于f p g a 的硬件平台，因此采用了目前流行的n i o si i 作为为f p g a 构建s o p c 系统的软核处理器。n i o si i 软核处理器的开发过程包 括处理器生成、硬件平台设计和软件设计这三个部分，其中生成n i o si i 处理器 在s o p cb u i l d e r 上完成，在s o p cb u i l d e r 中可以配置处理器核、添加外设、内 存及其他接口，配置后在n i o si i 中会生成含硬件结构的r t l 文件和含系统描 述结构的p t f 文件，这两个文件将分别用于q u a r t u si i 及n i o si d e 这两个集成开 发平台中作进一步开发。在q u a r t u si i 集成开发环境中进行硬件设计，在n i o s i d e 中进行软件设计【1 6 】。 在q u a r t u si i 中，n i o si i 处理器以i p 软核的形式添加到设计中，再进行其 6 武汉理工大学硕士学位论文 他的设计、分析综合、布局布线，然后编译生成f p g a 的配置文件并下载到f p g a 的配置芯片当中，这样就在f p g a 中建立好了n i o si i 处理器，然后需要在n i o s i i 中利用以上提到的p t f 文件建立软件设计环境，经过编译调试后下载到n i o si i 程序存储器中【1 7 1 ，这样就完成了基于n i o si i 的片上系统开发过程。 2 3 硬件总体设计介绍 上节提到三相功率源的硬件平台是一个基于f p g a 的嵌入式系统，因而该 功率源的硬件电路框图如图2 1 所示。硬件框图可以分成六个模块：电源稳压模 块、f p g a 最小系统平台、c p l d 扩展模块、信号输出通道、幅度反馈模块、相 位反馈模块。用椭圆形框标明的部分是u s b 芯片与c p l d 扩展口的连接。接口 包括c h 3 7 6a 0 、c h 3 7 6i n t 、c h 3 7 6w r 和c h 3 7 6r d 等引脚和8 位数据接 口c h 3 7 6d 7 d o ，在下文u s b 接口设计部分会详细介绍。 图2 1 三相功率源的硬件电路框图 由于系统中f p g a 的i o 引脚资源有限，就利用c p l d 扩展f p g a 的输入 输出接口。u s b 接1 3 芯片c h 3 7 6 s 以及其他需要连接i o 口的芯片包括液晶控制 器、a d 转换器、矩阵键盘，都通过c p l d 间接连接到n i o si i 的总线接口上， 共需要8 个地址端口，通过一个3 8 译码器可实现地址分配。c p l d 内部逻辑结 构如图2 - 2 所示。u s b 芯片c h 3 7 6 s 分配的地址为：1 1 0 数据口，1 0 1 命令口【1 8 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2c p l d 内部逻辑结构图 c p l d 与f p g a 之间的连接包括c s n 、r d n 、w r n 引脚的连接以及地址 端e la d d r 2 o 】和数据端1 ：3d a t a 7 o 】的连接，q u a r t u si i 中f p g a 与c p l d 的连 接如图2 3 所示。 f p g a 镰d 铸，史镬n 塑e 谩气豇 妇壶：! 圭兰：商二0 一_ i c p , 9 _ d r _ t ow n a ，t 童e s 毗m嬲巴蕊：乏! ”鬯! 曼! c l d 3 毡卫量口m 恃蚤心 山i e 皿c r l d r o _ n， c a v n _ n j r o m j mc ：科_ o 一j 丛蜘= 乏三芦最蕊f ? 饷d 蚶如i j c p i d f 2 同 脚皿皿( = ) c p l 。柏o r 口明 图2 - 3c p l d 与f p g a 间的引脚关系 2 4 - - , q 功率源的嵌入式软件设计 三相功率源嵌入式软件的设计在n i o si i 平台上进行开发，三相功率源系 统中软件主要完成的功能是系统的流程控制、人机交互操作的解析和幅度反馈 功能。主函数流程图和定时器o 中断的流程图如图2 - 4 所示。图中，主函数中主 要流程包括：系统初始化、过载判断、键盘解析、l c d 参数显示和u s b 接口的 命令解析。当发生过载时，系统的处理流程为：六个通道都停止输出、过载报 警和等待过载故障的排除后重新进入正常的工作流程。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 三相功率源的主函数流程图( b ) 三相功率源的定时器0 中断流程图 图2 - 4 三相功率源的主函数流程图和定时器0 流程图 u s b 接口命令解析是指，设备接收到p c 机下传的命令后，对各种不同命 令的不同处理过程。当输出电压短路或输出电流开路，一段时间后则设备会进 入过载模式。当设备处于过载模式时，设备会发出蜂鸣警报，这时可以通过“恢 复”按键达到恢复开机状态的目的，但是必须同时解除电压短路及电流开路的 状态，否则又会再次进入过载模式。 幅度反馈功能主要通过系统的定时器0 的中断来完成，定时器0 每5 0 m s 会发生中断，中断程序中首先对六路信号的幅度进行采样。如果采样值等于设 置值，说明系统工作正常，直接退出中断程序；如果采样值不等于设置值，则 要进行幅度补偿后退出中断程序。 2 5u s b 通信部分软件实现 通信部分软件设计也是在n i o si ii d e 中来完成的，它是基于微控制器设 备能正常运行的关键，通信部分软件设计的目的就是控制u s b 设备来完成预期 的功能【1 9 1 。 c h 3 7 6 s 芯片的底层程序就是用来处理应用程序发出来的各种u s b 设备请 求，并负责控制f p g a 芯片与c h 3 7 6 s 芯片进行数据传输，主要作用包括数据 的接收和发送、响应中断 2 0 l 。底层程序需要正确配置发送和接收数据的端点， 准确地发送和接收数据。根据接收到的数据，微控制器f p g a 处理u s b 接口的 中断请求，包括主机标准请求和其他数据请求，根据不同的请求回应响应的数 据。u s b 通信部分的程序流程图如图2 5 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 主程序中u s b 通信部分流程图 ( b ) 中断服务程序流程图 图2 5u s b 通信部分的程序流程图 如下是n i o si i 中软件设计的主程序m a i n c 中关于u s b 通信部分的代码段。 i r q _ u s b 0 ； 启动查询中断服务程序 i f ( u s b s u s p e n d _ s t a t u s g e t d l g c t r l l d ( ) - 一- i d c _ s h o w ) 数值显示区域控件 武汉理工大学硕士学位论文 p d c - s e t b k c o l o r ( t r a n s p a r e n t ) ； r e t u r nm _ b r u s h ；黑色背景 ) i f ( p w n d g e t d l g c t r l l d ( ) 一) 需要白色文字的控件 p d c - s e l e c t o b j e c t ( & mf o r e ) ； 文字字体 p d c s e t t e x t c o l o r ( r g b ( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) ) ； 文字白色 p d c - s e t b k c o l o r ( t r a n s p a r e n t ) ； r e t t l r nm _ b r u s h ； ) 需要改变背景或文字的控件 p d c s e t b k m o d e ( t r a n s p a r e n t ) ； r e t u r nm _ b a c k b m s h ；孔雀蓝色背景 ) 5 2 2 波形显示 波形显示的操作主要是在o n p a i n t 0 函数中完成，即响应w v lp a i n t 消息。 波形显示包括直角坐标系下的波形显示和极坐标下的波形显示【3 。3 。单击图形显 示区，可以在直角坐标系和极坐标系间进行显示切换。 直角坐标系下的波形图主要展示电压幅值和电流电压间的相位差值，极坐 标下的波形图主要展示三相电压和三相电流间的相位差值。直角坐标系下和极 坐标下的波形图如图5 2 所示。图中电压幅值8 5 0 v ，电流幅值1 0 0 v ，频率5 0 h z ， 电流电压相位差3 0 。 图5 2 直角坐标系下和极坐标下的波形显示 2 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 直角坐标系 如下是o n p i n t o i 函数中绘制直角坐标系横坐标的代码。 f o r ( i n tn = 一l ，n t m p = 0 ；n t m p l i n e t o ( 3 0 宰n ，0 ) ； p c o n t r o l d c - l i n e t o ( 3 0 幸i l ，- 5 ) ； p c o n t r o l d c 一 m o v e t o ( 3 0 木n ，0 ) ； 由于直角坐标系中的纵坐标要能清楚显示0 - 2 6 0 v 范围的电压幅值，故坐 标刻度必须随着波形幅值的改变而自动变更。为了能清晰显示，本设计将0 2 6 0 v 分成了5 个区间o 3 v ，3 9 v ，9 - 3 0 v ，3 0 9 0 v ，9 0 2 7 0 v ，各个区间的标识值 f l a g 分别是1 ，3 ，1 0 ，3 0 ，9 0 ，当产生任意幅值时，将幅度值除以f l a g 后再显 示在直角坐标系中。( 因为电流幅值与电压幅值间差距较大，该图不反应电流的 幅度) 纵坐标关键代码如下。 f o r ( n = - 3 ，n l h p = o ；n t m p l i n e t o ( 0 ，3 0 幸n ) ； 绘制坐标刻度 p c o n t r o l d c - l i n e t o ( 5 ，3 0 幸n ) ； p c o n t r o l d c - m o v e t o ( 0 ，3 0 幸n ) ； i f ( a t o f ( m _ u a ) t e x t o u t ( 10 ，3 0 幸n , s t m p ) ； e l s ei f ( a t o f ( m _ u a ) 3 ) 5 ) 区间标识纵坐标刻度值 f l a g = 3 ； 武汉理下大学硕士学位论文 ， 建立好直角坐标后，就可以开始绘制电压和电流的波形了。电压和电流的 频率是一致的，但存在相位差。如下是绘制电压波形的部分代码。 f o r ( x 2 = 一3 0 ；x 2 m o v e t o ( ( i n t ) x 2 ，( i n t ) y 2 ) ； p c o n 仃o l d c - l i n e t o ( ( i n t ) x 2 ，( i n t ) y 2 ) ； ) ( 2 ) 极坐标系 虽然直角坐标系可以很好反应电压幅值以及电压电流间的相位差，但不能 很好反应电压或者电流的三相间的相位差别，极坐标就能解决这样的问题，它 能体现三相间的相位差1 3 4 1 。单击图形显示区，则切换到极坐标系下显示波形。 极坐标下，x = r * c o s 0 ，y = r * s i n 0 ，波形显示代码中关于电流a 相的关键 部分如下。 电流a 相主线 x _ i a = 8 0 奎c o s ( - a t o f ( m _ q ) 木3 1 4 1 5 ( d o u b l e ) 1 8 0 ) ； y _ i a = 8 0 幸s i n ( 一a t o f ( mq ) 宰3 1 4 1 5 ( d o u b l e ) 1 8 0 ) ； p c o n t r o l d c m o v e t o ( 0 ，o ) ； p c o n t r o l d c - l i n e t o ( ( i n t ) x _ i a , ( i n t ) y _ i a ) ； 电流a 相字符 p c o n t r o l d c - t e x t o u t ( ( i n t ) x _ i a - 5 ，( i n o y _ i a - 2 0 , i a ( ”) ； p c o n t r o l d c 一 t e x t o u t ( ( i n t ) x _ i a + 1 4 ，( i n t ) y _ i a - 2 0 ，m ； p c o n t r o l d c - t e x t o u t ( ( i n t ) x _ i a + 1 4 + m _ q g e t l e n g t h 0 奉7 ，( i n t ) y _ i a - 2 0 , ) ”) ； p c o n t r o l d c - m o v e t o ( ( i n t ) x _ i a , ( i n t ) y _ i a ) ； 电流a 相箭头 x _ n e e l = ( 8 0 5 1 事c o s ( ( 一a t o f ( m _ q ) + 2 ) 事3 1 4 1 5 ( d o u b l e ) 1 8 0 ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 y n e e l = ( 8 0 5 ) 宰s i n ( ( - a t o f ( m _ q ) + 2 ) 幸3 1 4 1 5 ( d o u b l e ) 1 8 0 ) ； p c o n t r o l d c - l i n e t o ( ( i n t ) x _ _ n e e l ( i n t ) y _ n e e l ) ； 箭头左边 p c o n t r o l d c m o v e t o ( ( i n t ) x j a , ( i n t ) y _ i a ) ； x _ n e e l = ( 8 0 - 5 ) 奉c o s ( ( 一a t o f ( m _ q ) - 2 ) 幸3 1 4 1 5 ( d o u b l e ) 1 8 0 ) ； y _