周玲 葉樺 仰燕蘭 蘇雅 孟玉靜

(東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210096)(東南大學(xué)復(fù)雜工程系統(tǒng)測(cè)量與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

風(fēng)電變流器監(jiān)控軟件(converter monitoring software，CMS)通過(guò)通信接口獲取變流器信息，用于現(xiàn)場(chǎng)故障排查、內(nèi)部人員測(cè)試及調(diào)試使用.傳統(tǒng)的變流器監(jiān)控軟件大部分不支持場(chǎng)景［1］，本文討論的CMS支持場(chǎng)景.場(chǎng)景作為CMS的重要組成部分，以友好的可視化圖形界面為用戶提供變流器內(nèi)部重要的參數(shù)信息.場(chǎng)景界面由背景圖和控件組成，背景圖一般為變流器的簡(jiǎn)化原理框圖，控件合理分布在背景圖周圍，用于顯示變流器內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)的名稱、值和單位.

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)廠家的變流器產(chǎn)品往往有多種型號(hào)，不同型號(hào)的變流器基本參數(shù)和原理圖不盡相同.對(duì)于同一型號(hào)的變流器，經(jīng)過(guò)多次硬件、軟件的維護(hù)和升級(jí)，其內(nèi)部的參數(shù)也可能會(huì)發(fā)生變化.為了實(shí)現(xiàn)CMS的通用性，需要將變流器的參數(shù)信息和場(chǎng)景圖從CMS的代碼分離出來(lái)，存儲(chǔ)到一個(gè)獨(dú)立的配置文件.CMS運(yùn)行時(shí)依賴的有關(guān)變流器的參數(shù)信息和場(chǎng)景圖，都來(lái)自這個(gè)配置文件.也就是說(shuō)，CMS顯示的參數(shù)和場(chǎng)景是由配置文件決定，而不是由CMS的源代碼決定的.從而，當(dāng)監(jiān)控的變流器型號(hào)發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)影響CMS的正常運(yùn)行，避免了重新編譯軟件的麻煩，增強(qiáng)了軟件的通用性.

傳統(tǒng)的配置文件通常采用文本文件，如Windows的 INI文件［2］.INI文本對(duì)于 CMS 存在較多缺陷:INI文本是兩層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，無(wú)法保存結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，單個(gè)INI文件的大小不能超過(guò)64KB［3］.本文提出了基于可擴(kuò)展標(biāo)語(yǔ)言(extensible markup language，XML)的變流器監(jiān)控軟件配置信息存儲(chǔ)方法，XML具有自描述、數(shù)據(jù)處理便捷、易于理解等特點(diǎn).采用XML文件存儲(chǔ)變流器的參數(shù)信息和場(chǎng)景，不僅可以實(shí)現(xiàn)配置文件的圖文一體化存儲(chǔ)，也簡(jiǎn)化了CMS的編程，增強(qiáng)了軟件的通用性.

1 風(fēng)電變流器監(jiān)控軟件

1.1 CMS的體系結(jié)構(gòu)

CMS主要功能是通過(guò)可視化的界面，對(duì)變流器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)對(duì)獲取的變流器參數(shù)及信息予以顯示和記錄，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析.CMS的功能模塊主要有場(chǎng)景模塊、參數(shù)列表模塊、示波器模塊、錄播模塊、故障記錄模塊、趨勢(shì)模塊.這幾個(gè)模塊均需從共享數(shù)據(jù)區(qū)獲取參數(shù)信息，用于對(duì)通信數(shù)據(jù)的處理和更新界面等.場(chǎng)景模塊還需從共享數(shù)據(jù)區(qū)獲得場(chǎng)景數(shù)據(jù)，繪制場(chǎng)景界面.底層通信模塊實(shí)現(xiàn)和變流器控制器的通信，一般采用232或者CAN總線通訊.監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 CMS的體系結(jié)構(gòu)

1.2 XML配置文件需求分析

CMS和變流器的控制器建立通信，首先問(wèn)詢變流器的產(chǎn)品代號(hào)和軟硬件版本號(hào)，與從配置文件讀取的內(nèi)容一致，才允許正常通訊.聯(lián)機(jī)后，需要把配置文件中的所有參數(shù)信息讀至內(nèi)存.參數(shù)按來(lái)源和性質(zhì)可以分組，每一組參數(shù)稱為一個(gè)參數(shù)集，比如機(jī)側(cè)參數(shù)集、網(wǎng)側(cè)參數(shù)集等.場(chǎng)景界面由背景圖和控件組成，背景圖是指設(shè)備原理框圖，包括原理框圖上的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)需要根據(jù)變流器內(nèi)部控制字的實(shí)際值呈現(xiàn)斷開(kāi)或者閉合的狀態(tài).控件包括靜態(tài)文本控件和編輯框控件，每2個(gè)靜態(tài)文本控件和1個(gè)編輯框控件綁定成一組，靜態(tài)文本控件用來(lái)顯示參數(shù)名和參數(shù)單位，編輯框用于顯示實(shí)時(shí)參數(shù)值.

隨著變流器軟硬件升級(jí)，或者新型變流器型號(hào)的研制開(kāi)發(fā)，用戶僅需要對(duì)原有配置文件進(jìn)行修改，或重新設(shè)計(jì)一份針對(duì)新型變流器的配置文件.因此，配置文件需要具備清晰易懂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和便于閱讀理解的設(shè)計(jì)規(guī)范，這對(duì)設(shè)計(jì)人員具有重大意義.

2 XML配置文件的設(shè)計(jì)

2.1 XML 概述

XML用元素和屬性描述數(shù)據(jù)，通過(guò)嵌套和引用指定元素間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系.XML最突出的優(yōu)點(diǎn)是它可以按照用戶自定的意愿隨意創(chuàng)建標(biāo)記，這種優(yōu)點(diǎn)使得用戶能夠根據(jù)自己的特殊需要制定出適用于自身的一套標(biāo)記，便于結(jié)構(gòu)化地描述其領(lǐng)域的各類信息，從而提供了一種處理數(shù)據(jù)的最佳方式［4］，因此采用XML技術(shù)來(lái)描述變流器的配置文件有很大的優(yōu)勢(shì).

2.2 XML文件的設(shè)計(jì)

配置文件需要存儲(chǔ)的內(nèi)容有:產(chǎn)品代號(hào)和版本相關(guān)信息、參數(shù)和場(chǎng)景.為了實(shí)現(xiàn)這三者的一體化存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)了XML配置文件的邏輯層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示.樹(shù)形結(jié)構(gòu)表達(dá)了文檔中的元素層次關(guān)系.表1為樹(shù)形結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到XML文檔中的存儲(chǔ)內(nèi)容.聯(lián)機(jī)時(shí)，CMS首先提取配置文件中的產(chǎn)品信息，如果和變流器回復(fù)的產(chǎn)品代號(hào)和版本一致，則讀取全部參數(shù)信息至內(nèi)存.運(yùn)行場(chǎng)景時(shí)，提取場(chǎng)景信息，創(chuàng)建場(chǎng)景界面，建立控件和相應(yīng)參數(shù)的綁定關(guān)系.

圖2 XML配置文件的樹(shù)形結(jié)構(gòu)

表1 樹(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的XML文檔的存儲(chǔ)內(nèi)容

本文以單個(gè)參數(shù)為例說(shuō)明XML配置文件的定義.參數(shù)的索引號(hào)定義為兩維，例如“01.02”，01表示參數(shù)屬于參數(shù)集1，繼承參數(shù)集1的屬性，02表示在參數(shù)集1中的位置.CMS和變流器建立通信時(shí)，加載參數(shù)將參數(shù)的二維索引轉(zhuǎn)換成一維索引，例如01.02轉(zhuǎn)換成258(1×256+2).為隔離電氣和軟件編程，增強(qiáng)軟件的通用性，CMS與變流器交換的數(shù)據(jù)僅參數(shù)一維索引與參數(shù)值，即

以上內(nèi)容描述了索引為01.02的參數(shù)，參數(shù)的其他屬性為:英文名:GEN IPM TEMPERATURE S；中文名:機(jī)側(cè)S相 IPM 溫度；默認(rèn)值:1；單位:(°)；比例系數(shù):1，表明參數(shù)為整型；最大值:760；最小值:0；權(quán)限屬性:3級(jí)；參數(shù)為只讀.

3 XML配置文件中場(chǎng)景的存儲(chǔ)和顯示

CMS的場(chǎng)景通過(guò)CMS加載的配置文件來(lái)決定應(yīng)該顯示的場(chǎng)景界面.一個(gè)美觀的場(chǎng)景界面需要視覺(jué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練、清晰和精確，所以要求配置文件包含界面應(yīng)該顯示的內(nèi)容和合理的界面布局.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要考慮如何把場(chǎng)景存儲(chǔ)到配置文件中，以及如何從配置文件提取場(chǎng)景信息，繪制場(chǎng)景界面.

3.1 場(chǎng)景在XML配置文件中的存儲(chǔ)

場(chǎng)景信息包括圖片/控件的位置布局、圖片以及控件和開(kāi)關(guān)綁定的參數(shù)索引.為了實(shí)現(xiàn)背景圖中開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)閉合或斷開(kāi)的效果，需要在配置文件中存儲(chǔ)多張圖片.場(chǎng)景獲取變流器上傳的控制字?jǐn)?shù)值，根據(jù)解析結(jié)果加載不同圖片，使用戶視覺(jué)上感覺(jué)開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)開(kāi)合.存儲(chǔ)所有不同狀態(tài)下的原理圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，但是這樣會(huì)導(dǎo)致配置文件過(guò)大，影響文件讀取效率.鑒于不同開(kāi)關(guān)的類型、大小都可能不一樣，本文的方法是存儲(chǔ)一張?jiān)韴D和所有開(kāi)關(guān)圖片，原理圖上的開(kāi)關(guān)和單獨(dú)的開(kāi)關(guān)圖片是相反狀態(tài)，且開(kāi)關(guān)圖片僅取和原理圖上對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)有差異的那部分.

3.1.1 圖片/控件的位置布局

圖片/控件在容器中的相對(duì)位置用像素點(diǎn)表示，為了實(shí)現(xiàn)分辨率自適應(yīng)，使圖片/控件在不同分辨率的電腦上正常顯示，本文的相對(duì)位置采用其相對(duì)容器尺寸的比例來(lái)表示，即存儲(chǔ)到XML文件的位置布局是圖片/控件左上角和右下角兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)相對(duì)容器尺寸的比例.

CMS的場(chǎng)景窗體在繪制界面時(shí)，讀取圖片/控件的比例位置，乘以軟件容器的尺寸后，需要對(duì)比當(dāng)前電腦的分辨率和標(biāo)準(zhǔn)分辨率(指設(shè)計(jì)圖片/控件位置布局所用電腦的分辨率)，對(duì)圖片/控件的坐標(biāo)按一定比例放大或者縮小，從而獲得控件/圖片的像素位置，再動(dòng)態(tài)生成控件和顯示背景圖.

3.1.2 圖片的存儲(chǔ)

圖片是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而XML是使用文本以結(jié)構(gòu)化的方式表示數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)文本非常方便，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以通過(guò)編碼方式將其轉(zhuǎn)換成文本數(shù)據(jù)，再進(jìn)行存儲(chǔ).本文采用Base64編碼將圖片轉(zhuǎn)換成字符文本.Base64要求把每三個(gè)8 bit的字節(jié)轉(zhuǎn)換為4個(gè)6 bit的字節(jié)(3×8=4×6=24)，然后把6 bit再添兩位高位0，組成4個(gè)8 bit的字節(jié).

不同類型的圖片均有其特定的編碼格式，圖片文件由文件識(shí)別頭和圖像數(shù)據(jù)兩部分組成，其中文件識(shí)別頭用于判斷圖片的格式，例如JPEG文件是以字符串“0xFFD8”開(kāi)頭，并以字符串“0xFFD9”結(jié)束；GIF文件以字符串“GIF89a”或“GIF87a”開(kāi)始；BMP文件以字符串“0x4D42”開(kāi)頭.本文以BMP文件為例，說(shuō)明在XML文件中圖片如何存儲(chǔ)和解析.

BMP總體上由4部分組成，分別是位圖文件頭、位圖信息頭、調(diào)色板和圖像數(shù)據(jù)［5］.根據(jù)其圖片結(jié)構(gòu)，把位圖文件頭(BITMAPFILEHEADER)、位圖信息(BITMAPINFO)、調(diào)色板(RGBQUAD)以及圖像陣列(BITMAPDATA)分別讀入內(nèi)存并進(jìn)行Base64編碼.連接編碼后的字符文本，利用XML接口技術(shù)，將字符文本寫(xiě)入XML文件的圖像節(jié)點(diǎn)下，從而實(shí)現(xiàn)了BMP圖片在XML文件中的存儲(chǔ).BMP文件的具體存儲(chǔ)過(guò)程如圖3所示.

圖3 存儲(chǔ)BMP圖片

3.2 從XML配置文件加載場(chǎng)景

3.2.1 BMP 圖片的解析

首先讀取XML文件中圖像節(jié)點(diǎn)下的字符文本到內(nèi)存，對(duì)文本進(jìn)行Base64譯碼，由譯碼后數(shù)據(jù)的前幾位，判斷圖片是何種類型.如果是BMP圖片，提取出位圖文件頭結(jié)構(gòu)大小的數(shù)據(jù)，計(jì)算出BMP文件的大小，如果和譯碼后的數(shù)據(jù)大小不等，代表處理過(guò)程出錯(cuò)或者圖片損壞.如果大小相等，提取位圖信息頭結(jié)構(gòu)大小的數(shù)據(jù)，由位圖信息頭計(jì)算出顏色表的大小，根據(jù)計(jì)算出的大小提取顏色表數(shù)組，將位圖信息頭和顏色表數(shù)據(jù)拷貝到位圖信息中.最后剩下的二進(jìn)制數(shù)據(jù)即為圖像陣列的內(nèi)容.BMP文件的具體解析過(guò)程如圖4所示.采用Windows應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)中的 StretchDIBits()函數(shù)，對(duì)圖片進(jìn)行拉伸或壓縮，使之顯示到屏幕上的設(shè)定位置.

圖4 解析BMP圖片

3.2.2 場(chǎng)景界面的繪制

場(chǎng)景窗口運(yùn)行時(shí)，周期獲取變流器上傳的參數(shù)和控制字的值，將解析后的參數(shù)值顯示到對(duì)應(yīng)參數(shù)的編輯框中.如果某一開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的控制字的位標(biāo)志為1，需要加載其閉合的開(kāi)關(guān)圖片，并刷新界面.當(dāng)對(duì)場(chǎng)景窗口執(zhí)行某些操作，如拖動(dòng)窗口、拉伸窗口時(shí)，會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景界面重繪.重繪時(shí)，由于是先繪制背景圖，再繪制開(kāi)關(guān)圖片，所以會(huì)明顯地看到開(kāi)關(guān)圖片重新覆蓋在背景圖上的過(guò)程，即開(kāi)關(guān)會(huì)出現(xiàn)無(wú)效中間狀態(tài).解決這一問(wèn)題的有效方法就是雙緩沖技術(shù)，即重繪界面時(shí)，先在與顯示設(shè)備的裁剪區(qū)域一樣大小的內(nèi)存中繪制背景圖和需要加載的閉合開(kāi)關(guān)圖片，再將內(nèi)存上的圖形一次性拷貝到顯示屏幕的裁剪區(qū)域上.

4 XML配置文件編輯器設(shè)計(jì)

為了方便用戶對(duì)配置文件的修改、維護(hù)和設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了XML配置文件編輯器.XML配置文件編輯器采用事先約定好的CMS配置文件標(biāo)記語(yǔ)言，處理用戶輸入的信息.圖5為選中樹(shù)狀圖參數(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)界面，可以添加、刪除、修改參數(shù)或者參數(shù)集.圖6為選中場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)界面，用于添加圖片和控件，調(diào)整界面位置布局，綁定參數(shù)索引等.XML編輯器通過(guò)限定條件和容錯(cuò)判斷保證了配置文件的質(zhì)量，如果用戶的操作不滿足條件，則編輯器通過(guò)分析用戶鍵入內(nèi)容給出相應(yīng)的錯(cuò)誤信息提示用戶.

圖5 參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖6 場(chǎng)景設(shè)計(jì)界面

XML 編輯器是基于 MFC［6］(microsoft foundation cass)開(kāi)發(fā)平臺(tái)利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序.采用DOM接口實(shí)現(xiàn)XML的生成和讀取等操作.DOM(document object module)是W3C制定的一種獨(dú)立語(yǔ)言和平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，它提供一個(gè)可以通用于各種程序語(yǔ)言、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的接口.利用DOM中的對(duì)象，可以對(duì)XML文檔進(jìn)行讀取、搜索、修改、添加和刪除等操作.DOM是對(duì)XML數(shù)據(jù)的描述體系，它用樹(shù)型結(jié)構(gòu)的文檔來(lái)保存XML數(shù)據(jù)，它包括了對(duì)XML的解析和處理XML數(shù)據(jù)的 API［7］.

4.1 修改CMS配置文件

設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)菜單中的導(dǎo)入項(xiàng)導(dǎo)入欲修改的配置文件.XML編輯器能夠?qū)?shù)狀圖進(jìn)行直接操作，具備增加/刪除/修改參數(shù)節(jié)點(diǎn)的功能.用戶選中樹(shù)狀圖中的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以調(diào)整圖片和控件的位置，或者重設(shè)和控件綁定的參數(shù)索引，或者重新加載圖片.對(duì)配置文件修改結(jié)束后，可以通過(guò)保存菜單項(xiàng)保存修改后的配置文件.

4.2 設(shè)計(jì)CMS配置文件

點(diǎn)擊菜單中的生成項(xiàng)，可以設(shè)計(jì)一份新的配置文件，具體步驟如下:

①設(shè)計(jì)人員選中樹(shù)狀圖中的參數(shù)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)擊XML編輯器右邊的“添加新參數(shù)集”按鈕和“添加參數(shù)”按鈕，可以靈活地生成新的參數(shù)集，并添加參數(shù)到新參數(shù)集下.對(duì)參數(shù)集和參數(shù)的操作都會(huì)映射到左邊的樹(shù)狀圖.

②選中樹(shù)狀圖中的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，XML編輯器切換到場(chǎng)景設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊界面上的“添加圖片”按鈕導(dǎo)入變流器的原理框圖和開(kāi)關(guān)圖.右擊鼠標(biāo)，顯示鼠標(biāo)光標(biāo)所在位置的坐標(biāo)，通過(guò)這種方式，用戶可以很方便地動(dòng)態(tài)調(diào)整圖片移動(dòng)到希望的位置.對(duì)于控件，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)直接將其拖動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?

③選中樹(shù)狀圖中的驗(yàn)證信息節(jié)點(diǎn)，輸入新型變流器的產(chǎn)品代號(hào)和軟硬件版本號(hào).

④點(diǎn)擊保存菜單項(xiàng)，選擇路徑，生成一份新的符合設(shè)計(jì)規(guī)范的配置文件.

5 軟件運(yùn)行結(jié)果

CMS分別加載用XML編輯器設(shè)計(jì)的配置文件 ConfigFPC.xml和 ConfigDFIG.xml，顯示的場(chǎng)景界面如圖7和圖8所示.

圖7 FPC變流器對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景

ConfigFPC.xml和 ConfigDFIG.xml的文件大小都在2 MB以上，這是由于圖片的Base64編碼方法導(dǎo)致圖片數(shù)據(jù)量比原先增加約1/3，且XML標(biāo)記的符號(hào)化和文本表現(xiàn)手法等特性，導(dǎo)致XML數(shù)據(jù)比二進(jìn)制表現(xiàn)數(shù)據(jù)量增加.當(dāng)數(shù)據(jù)量很大的時(shí)候，讀取XML配置文件的效率就會(huì)受到一定的影響.下面對(duì)CMS加載配置文件的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與CMS的實(shí)現(xiàn)功能和CMS的代碼質(zhì)量有關(guān).

圖8 DFIG變流器對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景

測(cè)試平臺(tái):Windows XP；處理器:Intel(R)Celeron(R)，2.40 GHz；內(nèi)存:2.00 GB.

由表2可以看出，用戶點(diǎn)擊進(jìn)入場(chǎng)景界面時(shí)，場(chǎng)景界面跳轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)間小于1s，這個(gè)時(shí)間在用戶的忍受范圍以內(nèi).而且CMS從配置文件加載場(chǎng)景的耗時(shí)和文件中場(chǎng)景數(shù)據(jù)量有關(guān)，圖片越少，耗時(shí)越短，圖片越小，加載速度越快.隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備水平的不斷提高，文件數(shù)據(jù)量大帶來(lái)的效率問(wèn)題也會(huì)逐步克服.

表2 文件資源占用情況和讀取配置文件時(shí)的耗時(shí)

6 結(jié)語(yǔ)

基于XML的風(fēng)電變流器監(jiān)控軟件配置信息存儲(chǔ)方法為CMS提供了高效的數(shù)據(jù)管理性能.場(chǎng)景、參數(shù)信息和驗(yàn)證信息的一體化存儲(chǔ)，不僅提高了配置文檔的結(jié)構(gòu)化程度，也方便了軟件對(duì)配置信息的管理，簡(jiǎn)化了軟件的編程.設(shè)計(jì)人員可以利用XML編輯器很方便地修改、維護(hù)和設(shè)計(jì)配置文件.用戶運(yùn)行CMS軟件時(shí)，根據(jù)不同的監(jiān)控對(duì)象，加載不同的配置文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)變流器的監(jiān)控目的，提升了CMS的通用性.本方法對(duì)其他領(lǐng)域有類似需求的監(jiān)控系統(tǒng)有一定的借鑒作用.

References)

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