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基于CAN总线技术实现热网监控控制和通信系统的设计

电子设计 2020-06-05 07:51 次阅读

引言

目前我国北方许多城市已经或者即将进行热网改造工程,将传统的分散供热改造为集中供热。

由于CAN总线相比其它现场总线技术具有众多优点,因此在工业中的应用越来越广泛。本文基于该总线技术针对热网监控系统开发的现场控制和通信的子系统,能安全可靠地实现现场数据采集、闭环控制及数据传输。鉴于篇幅,本文重点介绍CAN网络通信部分的设计与实现。

系统结构及其硬件构成

系统结构

热网监控系统主要由上位机和现场控制器组成,总体结构如图1所示。

热网监控系统是在一次设备(传感器变送器、各种执行机构)的基础上完成对热网的监测与控制,通过调节热管网的供水流量、供水温度、供水压力,来保证热网安全、可靠、高效、稳定的运行。根据上述要求,本系统在保证系统可靠工作和降低成本的条件下,考虑到通用性、实时性和可扩展性等方面的因素,采用了主要由上位计算机系统和现场控制器构成的系统结构。

系统工作过程如下:上位机首先初始化CAN网卡,设置网卡工作模式、接收码、接收掩码和波特率,然后进入运行状态,在适当条件下与现场控制器进行通信。现场控制器主要完成现场数据的采集与处理和现场设备的控制等功能,并以查询或中断方式与主机进行通信。

图1 热网监控系统总体结构

硬件系统

CAN网络的拓扑结构采用总线式结构,其结构简单、成本低、系统可靠性高。信息的传输采用CAN通信协议,通信介质采用双绞线。

图2 现场控制器的结构框图

上位机

上位机采用工控机,负责对整个系统进行管理。上位机通过CAN网卡与现场控制器通信,同时通过局域网或者公共电话交换网与整个工厂或者公司的计算机信息网络进行连接,实现信息共享。上位机具有组态、数据采集、参数设置、远程控制、流程显示、数据存储、趋势显示、报表打印以及通信等功能。

图3 CAN网络通信接口单元电路

CAN网卡

CAN网卡是负责CAN总线与上位机之间数据交换的功能模块。CAN网卡上存在两个方向的数据交换:CAN网卡与上位机之间的数据交换(通过双端口RAM实现)以及CAN网卡与CAN总线之间的数据交换(由微处理器通过访问CAN控制器的接收缓冲区以及发送缓冲区来实现)。CAN网卡上的CAN控制器选用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。

图4 通用定时器周期中断服务程序

现场控制器

现场控制器的结构框图如图2所示。

该现场控制器具有14路模拟量输入端口、2路模拟量输出端口、4路开关量输入端口、4路开关量输出端口以及时钟接口、数据存储接口、液晶显示接口、网络通信接口、报警输出接口等。本系统采用了TI公司的带有10位ADC和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作为CPU

网络通信接口单元是用来对CAN总线进行读写访问的部分控制电路。当需要发送数据时,CPU将数据交给网络接口单元电路,由网络接口单元电路进行数据格式转换、串并转换和信号形式转换,并将数据按照CAN协议信号形式发送到CAN总线上。当CAN总线上有数据时,它负责从CAN总线上读取数据。首先通过帧过滤功能判断是否接收此帧,若接收,则通过与发送相反的过程,将数据交给CPU。

表1 标识符分配方案

网络通信接口单元主要由TMS320LF2407A片内的CAN控制器及CAN收发器PCA82C250组成。CAN控制器负责对数据的格式进行转换,承担网络通讯的控制任务。CAN收发器PCA82C250是CAN控制器和物理总线间的接口,负责信号的电平及形式转换,可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。为防止CAN总线上的干扰进入板卡,本系统采用光电隔离器件6N137来实现收发双向隔离。网络通信接口单元具体电路如图3所示。

CAN通信软件设计与实现

CAN遵从OSI模型,按照OSI基准模型,CAN结构划分为两层:数据链路层和物理层。然而,在实际应用中,即使只是实现简单的基于CAN的分布式系统,仅有物理层和数据链路层也是远远不够的。比如对于传输长度超过8个字节的数据块、带有握手协议的数据传输过程、标识符分配以及通过网络管理节点等功能就不能实现。

因此需要在这两层之外附加一层来支持应用过程,即应用层。这一层功能对应OSI基准模型中的上五层,主要完成网络层和传输层的工作,提供接口,使得通信模块和具体应用模块分离。针对热网监控系统,应用层协议需要通信双方具体协商制定。

CAN通信应用层协议

现场控制器软件设计中与上位机的通信是最关键的部分之一。针对热网监控系统,使用现场总线CAN网络技术,制定了CAN应用层协议。应用层完成的主要工作有:标识符分配、多报文数据包的处理、报文发送与接收等。

标识符分配方案

TMS320LF2407A支持CAN 2.0B协议,本系统通信的信息帧采用扩展帧,具有29位标识符,标识符分配方案如表1所示。

其中,DIR表示方向。DIR=0时,表示主站向从站发送数据;DIR=1时,表示从站向主站发送数据。TYPE为报文帧类型。当TYPE.2=0时,表示点对点发送;当TYPE.2=l时,表示广播发送。当TYPE~TYPE.0Xb时,表示单帧报文;TYPE.1~TYPE.0=11b时,表示非结束多帧报文;TYPE.1~TYPE.0=10b时,表示结束多帧报文。另外还有目标地址和源地址各七位,命令符八位。命令符是用来标识上位机对现场控制器的控制命令,或现场控制器对上位机的上传命令。

报文的处理

本设计对CAN通信中的报文处理做了以下规定:

单报文:单报文由标识符中的数据类型TYPE.1决定,当其为0时表示为单报文,此时待传送的数据不超过8个字节,数据段中为实际传送的数据。

多报文的首帧和中间帧:多报文的首帧和中间帧由TYPE.1~TYPE.0决定,当其为11b时表示为非结束多报文,即为多报文的首帧和中间帧,此时待传送的数据超过8个字节,数据段中第1个字节为索引项,后7个字节为传送的数据。

多报文的尾帧:多报文的尾帧由TYPE.1~TYPE.0决定,当其为10b时表示为结束多报文,即为多报文的尾帧,此时规定该帧中数据长度为2个字节,数据段中第1个字节为索引项,第2个字节为待传送数据的总长度,单位为字节。

CAN通信初始化

CAN通信初始化主要是设置CAN的通信参数,包括配置位定时器和初始化邮箱两部分。需要初始化的寄存器有:位配置寄存器2、位配置寄存器1、标识符寄存器、控制寄存器、局部屏蔽寄存器等。需要注意的是,只有当全局状态寄存器中的改变配置使能位为高时,才能配置位定时器;当主控制器中的改变配置请求位为1,即CAN控制器处于复位工作方式时,才能配置标识符寄存器、控制寄存器和数据域。在访问位配置寄存器时,由于其内容决定波特率的数值,位配置寄存器的初始化字必须依据系统中各CAN控制器的晶振频率而设定。

数据发送

信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的。发送程序只需把要发送的信息帧送到相关的CAN寄存器,启动发送命令即可。数据发送采用通用定时器周期中断,定时发送已采集的数据到上位机,实现数据的存储,以便用户查询。由于采集到的数据超过8个字节,所以需对数据包进行分片构造报文。通用定时器周期中断服务程序如图4所示。

数据接收

信息从CAN总线到CAN接收邮箱是由CAN控制器自动完成的,数据接收采用邮箱中断。在中断服务程序中读取接收到的数据,对接收到的数据进行解码,并置位相应标志位。在主程序循环中查询标志位,当检测到标志位被置位时,则进入相应处理程序,同时对标志位清零。

结语

应用层协议是CAN网络应用的关键,因此该系统中的重点工作是在现场控制器与上位机之间的通信中,使用现场总线CAN网络技术,制定了用户层通信协议。而且本系统已经完成了在实验室阶段的调试工作,通信部分能够正常工作。本文介绍的CAN 通信设计具有很强的通用性,其成果可以应用在很多数据采集的场合。

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STNRGPF02TR STMicroelectronics STNRGPF02和STNRGPF12PFC 数字控制器

oelectronics STNRGPF02和STNRGPF12因数校正 (PFC) 数字控制器设计用于交错PFC升压拓扑,适用于大功率应用。STNRGPF02提供传统的涌入电流控制,通过基于继电器和限制器电阻器的机械解决方案来实现。STNRGPF12具有数字涌入电流控制功能,通过基于可控硅整流器的固态解决方案来实现。两款器件均可驱动多达2个交错通道。 STNRGPF02和STNRGPF12 PFC数字控制器在基于混合信号(模拟/数字)架构的应用中以固定频率在CCM中工作,具有平均电流模式控制。 这些控制器可通过专用软件工具 (eDesignSuite) 进行配置,以匹配各种特定应用。该工具可生成完整的原理图,其中包括完整的材料清单和最终二进制对象代码 (FW),可下载至IC。 特性 2个交错通道升压PFC 固定频率CCM平均电流模式 半数字架构 集成浪涌电流限制器功能 过流和热保护 软启动 切相功能 高工作频率 轻松集成其他应用 灵活的设计定制,可满足特...
发表于 10-29 12:07 84次 阅读
STNRGPF02TR STMicroelectronics STNRGPF02和STNRGPF12PFC 数字控制器

HVLED007TR STM icroelectronics HVLED007电流模式PFC控制器

oelectronics HVLED007电流模式PFC控制器采用特殊电路(输入电流整形器),支持高PF准谐振反激转换器从电源线中获取理论上的正弦输入电流。该IC具有一个控制输入,用于由光耦合器的光电晶体管驱动,以关闭二次侧稳压的隔离控制环路。然而,通过添加简单的外部电路,它也可用于关闭一次侧稳压的电压环路。 HVLED007具有各种保护特性,可处理过载、短路和过压情况。推拉输出电路输出级具有600mA拉电流和800mA灌电流能力,适用于大型MOSFET驱动器。得益于推拉输出电路级以及其他特性,该器件成为非常适合用于符合EN61000-3-2标准的SMPS(高达100W)的低成本解决方案。 HVLED007 PFC控制器是室内和室外固态照明应用的理想选择,具有低至-40°C的扩展工作温度范围,并可保证电气规格。 特性 对反激式PFC前置稳压器进行转换模式(准谐振)控制 专有的输入电流整形器,可实现最小的线路电流THD 用于隔离反馈和光耦合器驱动的控制输入 输出过压保护 过载和短路保护 低 (&le...
发表于 10-28 15:08 27次 阅读
HVLED007TR STM icroelectronics HVLED007电流模式PFC控制器

MAX25612BATP/VY+ MaximIntegrated MAX25612高压LED控制器

MAX25612高压LED控制器是一款单通道高亮度LED (HB LED) 驱动器,适用于汽车前灯应用。这些应用包括远光灯、近光灯、日间行车灯 (DRL)、转向指示灯、雾灯和其他LED灯。该器件的输入电压范围为5V至48V,可以驱动一个LED灯串,最大输出电压为65V。MAX25612是完全同步型器件,适合需要同步整流的升压和降压-升压应用,可提供大于90%的效率。 MAX25612可检测LED灯串高侧的输出电流。需要进行高侧电流检测,以防止输出端到接地或电池输入端发生短路。该器件也是用于驱动LED的最灵活方案,支持升压、高侧降压或降压-升压模式配置。PWM输入提供高达5000:1的LED调光比,ICTRL输入在MAX25612中提供额外的模拟调光功能。MAX25612还包括一个FLT标志,用于指示灯串开路、灯串短路和热关断。MAX25612还支持内置扩频调制,以提高电磁兼容性能。 特性 集成度高,可最大限度地减少BOM、降低成本 +5.0V至+48V的宽输入电压范围和+65V的最大升压输出 集成pMOS调光FET驱动器 用于模拟调光的ICT...
发表于 10-28 14:57 68次 阅读
MAX25612BATP/VY+ MaximIntegrated MAX25612高压LED控制器

EVAL-IBD002-35W STMicroelectronics EVAL-IBD002-35W控制器评估板

oelectronics EVAL-IBD002-35W控制器评估板设计用于演示HVLED002控制器。HVLED002控制器管理主要由D1、L1和Q1组件组成的反向降压电路,能够提供大约700mA作为最大LED负载电流。外部0V至10V信号专门用于管理调光输出LED电流(最大值的1%至100%),具有模拟 (100%至10%) 和PWM (10%至1%) 控制功能。需要15V辅助电压才能为HVLED002控制器上电。 特性 VIN - 48VDC至60VDC;VAUX - 15VDC输入电压 LED输出电压:24VDC至48VDC LED输出电流:700mA(最大值) 调光:1%至100% 低于50mW(60VIN时)直流无负载 效率 满载:>97% >95%(负载超过20%时)(模拟#...
发表于 10-21 11:24 70次 阅读
EVAL-IBD002-35W STMicroelectronics EVAL-IBD002-35W控制器评估板

EVAL6227PD EVAL6227PDL6227 DMOS双路全桥驱动器 PWM电流控制器评估板

发表于 05-20 23:05 57次 阅读
EVAL6227PD EVAL6227PDL6227 DMOS双路全桥驱动器 PWM电流控制器评估板

STEVAL-ILL066V2 STEVAL-ILL066V2使用STLUX385A数字控制器100瓦LED路灯照明评估板

STLUX385A数字控制器 高效率(92%) 初级侧控制 高达100瓦上(100伏,1 A或0.5 A 200 V) 适于LED连接单个隔离输出 宽输入电压范围:90 V至265 V AC 在STEVAL-ILL066V2评估板是一个完整的和可配置的解决方案,有效地控制使用STLUX385A数字控制器的单个,可调光,高亮度LED串。
发表于 05-20 23:05 86次 阅读
STEVAL-ILL066V2 STEVAL-ILL066V2使用STLUX385A数字控制器100瓦LED路灯照明评估板

ST23L48A ST23L48AST23联系安全MCU具有48 KB的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt加密处理器

型8位/ 16位ST23 CPU核心的16兆字节线性寻址存储器 用户的ROM 390千字节 用户RAM的6个字节 2千字节NESCRYPT RAM的 48个字节用户EEPROM,包括128个字节的用户OTP区的 30年的数据保存在25℃下 在25℃下500000次擦/写 1到64字节擦除或编程在1.5毫秒 工作温度:-25°至+ 85°C 增强NESCRYPT加密处理器,用于公共密钥加密 FIPS PUB 197兼容的AES加速器 使用看门狗和中断3个8位的定时器能力 ST23L48A设备是串行存取微控制器定制设计的用于安全智能卡应用程序。...
发表于 05-20 22:05 114次 阅读
ST23L48A ST23L48AST23联系安全MCU具有48 KB的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt加密处理器

ST23YR48 ST23YR48ST23双接口安全MCU用48千字节的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt密码处理器 RF B型(非接触式ID-护照/ PKI)

特性 增强型8位/ 16位ST23 CPU核心的16兆字节线性寻址存储器 390个字节用户ROM 6字节用户RAM 2千字节NESCRYPT RAM 48个字节用户EEPROM包括128个字节的用户OTP区: 30年的数据保存 1到64字节擦除或编程在1.5毫秒 增强NESCRYPT加密处理器,用于公共密钥加密 硬件安全增强DES加速器 与看门狗和中断能力三个8位定时器 3V和5V电源电压范围 外部时钟频率高达10 MHz 高性能 CPU时钟频率高达29 MHz的 省电待机状态 联系分配与ISO / IEC兼容:通过提供7816-3标准 异步收发器(IART),用于高速串行数据支持(ISO / IEC 7816-3和EMV™兼容) ESD prote ction大于5千伏(HBM)用于接触焊盘和4千伏用于非接触垫 接触设有 与ISO / IEC 14443个类型B标准的要求 13.56MHz载波频率 RF帧至多512字节 RFUART(RF通用异步收发器)高达848千位/秒 0.5千字节专用RFUART RAM BPSK - NRZ负载调制(卡到读取器) 8%至14%幅度调制的接收(读取器到卡)作为最小的范围 通过CPU的时钟频率高达设置到29兆赫加上时钟频率增强的RF性能分频器 安全性...
发表于 05-20 22:05 150次 阅读
ST23YR48 ST23YR48ST23双接口安全MCU用48千字节的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt密码处理器 RF B型(非接触式ID-护照/ PKI)

STM86312 STM863121/4至十一分之一占空比VFD控制器/驱动器

ernal resistor necessary for driver output (P-channel open drain + pull down resistor output) General purpose input port (4 bits) Many display modes (11 segments & 11 digits to 16 segments & 4 digits) Dimming circuit (eight steps) Key scanning (6 x 4 matrix) LED ports (4 chs, 20mA max) Serial interface (CLK, STB, DIN, DOUT) High-voltage output (VDD- 35V max) The STM86312 is a VFD (Vacuum Fluorescent Display) controller/driver that is driven on a 1/4 to 1/11-duty factor. It consists of 11-segments output lines, 6 grid output lines, 5 segments/grid output drive lines, a display memory, a control circuit, and a key scan circuit. Serial data are input to the STM86312 through a three-line serial interface. This VFD controller/driver is ideal as a peripheral device for a single-chip microcomputer....
发表于 05-20 20:05 236次 阅读
STM86312 STM863121/4至十一分之一占空比VFD控制器/驱动器

PM6776 PM6776带有PMBus 6 + 1的双通道数字VR13多相控制器™

尔® VR13 6 + 1相紧凑数字控制器 VR13符合25MHz的SVID总线rev.1.7 高性能数字控制回路(数字STVCOT™) 专有自动调谐技术 通过PMBus的完全可配置的™ AutoDPM - 自动动态相位管理 远程感; 0.5%Vout的精度与校准 使用校准 在PM6776是被设计为功率英特尔VR13处理器的高性能数字双控制器电流监测信号:所有所需的参数是通过PMBus的™接口编程。
发表于 05-20 19:05 170次 阅读
PM6776 PM6776带有PMBus 6 + 1的双通道数字VR13多相控制器™

EV-VNH7070AY EV-VNH7070AYVNH7070AY评估板

的单IC应用板专用于VNH7070AY 提供电连接和热散热,易于成型 EV-VNH7070AY为您提供了一种简单的方法,以ST的VIPower M0-7 H桥驱动器连接到现有的原型电路。该评估板自带预装配有VNH7070AY H桥。电气元件的车载最小设定(作为用于设备数据表建议)使用户能够直接连接的负载,在电源与所述微控制器在没有外部部件的设计和连接的任何额外的努力。
发表于 05-20 18:05 67次 阅读
EV-VNH7070AY EV-VNH7070AYVNH7070AY评估板

STSW-STPM003 STSW-STPM003为STM32F4探索套件和EVALSTPM32三相固件实现

4个STPMs计量 用于保存参数EEPROM支持(可选) USB虚拟Com端口(VCP),用于支持GUI和LabTools Minishell(命令行分析器),用于通过USB发送命令 在UART或SPI STPM通信 STM32处理程序和驱动程序支持基于立方MX 使用STPM3x和STM32F407装置中的固件实现的三相应用的开发。它已经开发了基于STM32F407VGT与EVALSTPM32接口的STM32F4发现套件,但它可以很容易地移植到其它微控制器。
发表于 05-20 15:05 44次 阅读
STSW-STPM003 STSW-STPM003为STM32F4探索套件和EVALSTPM32三相固件实现

STSW-IO-LINK STSW-IO-LINKIO-Link的演示套件固件

包STM32微控制器ARM ®皮质® -M0 +和ARM的Cortex-M3 符合STM32Cube开发框架 在其他STM32平台便携式 基于RS-485通信的PC接口 通信层用于交换主站和传感器节点 传感器配置和传感器数据采集 快速傅立叶变换(FFT)运算,以评估振动谱 此试剂盒包括用于一个完整的固件版本STEVAL-IDP004V1和STEVAL-IDP003V1评估板,以促进在配置中,数据交换和处理方面的系统管理。它是基于STM32CubeHAL库,并使用功能强大的STM32CubeMX工具来配置微控制器和更新而不会丢失数据的创建工作区。...
发表于 05-20 15:05 101次 阅读
STSW-IO-LINK STSW-IO-LINKIO-Link的演示套件固件

STSW-BFA001V1 STSW-BFA001V1软件包STEVAL-BFA001V1B

固件实施例来构建应用程序状态监测和预测性维护基于三维数字加速度计,环境和声学MEMS传感器 中间件包括算法为先进的时间和频率域信号处理振动分析 可编程FFT大小(512,1024或2048点) 可编程FFT平均和重叠 可编程窗(平顶,汉宁,汉明) 速度RMS均线,加速度最大峰值 中间件集成麦克风算法: PDM到PCM 声压 音频FFT 固件包STM32F469AI开发了在不同的微控制器系列便于携带 PC数据监视通过任何游离终端模拟器 示例示范固件STEVAL-IDP004V1 IO-Link的主功能的多端口评估板和DE通信dicated PC GUI 特殊STSW-BFA1PREDMNT状态监测固件配置成与STSW-IDP4PREDMNT相互作用,并且允许经由STM32MP157C-DK2网关数据上传至云。 在固件包旨在帮助您开发基于状态监测的工业预测性维护解决方案。...
发表于 05-20 14:05 32次 阅读
STSW-BFA001V1 STSW-BFA001V1软件包STEVAL-BFA001V1B

STSW-USBPD45CFW STSW-USBPD45CFWSW包STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源适配器发货

包与应用实例的二进制为STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源输送适配器。 应用固件基于所述认证X-CUBE-USB-PD软件设计的ARM ® 32位皮质® -M0 STM32F051 MCU和PD3.0认证STUSB1602A C型控制器。 在STSW-USBPD45CFW软件包被设计为支持STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型电源输送适配器参考设计。
发表于 05-20 13:05 50次 阅读
STSW-USBPD45CFW STSW-USBPD45CFWSW包STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源适配器发货

STSW-IOD003 STSW-IOD003基于STM32Cube L6362A的IO-Link通信收发器设备IC评估软件

62A IO-Link通信收发器装置IC集成在STEVAL-IOD003V1评估板的管理驱动程序层 GPIO和IRQ的配置 用于接收和发射I / Q信道控制 故障中断处理 用于控制L6362A设备 易于在不同的微控制器系列可移植性示例应用程序,这要归功于STM32Cube 自由的,用户友好许可证条款 在STSW-IOD003是用于STEVAL-IOD003V1评估板它集成了L6362A IO-的评估软件链路收发器设备。
发表于 05-20 13:05 72次 阅读
STSW-IOD003 STSW-IOD003基于STM32Cube L6362A的IO-Link通信收发器设备IC评估软件

EVL6564H-100W EVL6564H-100W基于所述L6564H 100瓦过渡模式PFC预调节器演示板

压范围:90至265 VAC 最小线频率(f →):47赫兹 稳压输出电压:400伏 额定输出功率:100W 最大2F →输出电压纹波:20 V峰峰值 保持时间:10毫秒(V DROP 后保持时间:300 V) 最小开关频率:40千赫 最低估计效率: 92%(@ V 在 = 90 VAC,P OUT = 100 W) 最高环境温度:50℃ PCB类型和大小:单面为35μm,CEM-1,90×83毫米 此演示板是基于新的过渡模式PFC控制器L6564H和器具100 W,宽范围的电源输入,PFC预调节器适用于镇流器,适配器,平面屏幕显示器,并且所有具有SMPS以满足IEC61000-3-2或JEITA-MITI法规。...
发表于 05-20 12:05 116次 阅读
EVL6564H-100W EVL6564H-100W基于所述L6564H 100瓦过渡模式PFC预调节器演示板

STSW-L9177A STSW-L9177AEVAL-L9177A图形用户界面

RS232端口连接与微控制器 自动COM连接 L9177A SPI寄存器读取和写入 能够生成可编程durationactuations 可能性控制L9177A并行致动。 在STSW-L9177A是一个图形用户界面(GUI),其允许以初始化并通过SPI协议改变参数控制EVAL-L9177A评估板,管理并行PWM输入和读出的输出。该L9177A GUI已经使用Labview的开发和其使用,如微控制器接口,在SPC56M发现板。
发表于 05-20 12:05 134次 阅读
STSW-L9177A STSW-L9177AEVAL-L9177A图形用户界面