采用LabVIEW的PC機(jī)與變頻器的串口通信

本文針對摩擦學(xué)試驗(yàn)研究的特點(diǎn)，采用廣泛使用的LabVIEW編程語言，開發(fā)用于東元7200MA變頻器運(yùn)行頻率的控制串口通訊程序。

由于摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)和摩擦學(xué)測試的特殊性，摩擦學(xué)試驗(yàn)中的變頻器調(diào)速有著不同于一般工業(yè)變頻控制的特點(diǎn)。一方面，要求變頻器調(diào)速能夠在較大范圍內(nèi)滿足摩擦學(xué)測試的要求，使得試驗(yàn)結(jié)果具有可比性；另一方面，摩擦磨損試驗(yàn)過程中，對控制有一些特殊的要求，例如需要特殊的速度、運(yùn)動的非周期性以及設(shè)備的快速啟動和停止等。在一些疲勞試驗(yàn)中，甚至要求電機(jī)進(jìn)行寸動或者往復(fù)運(yùn)動以檢測材料的性能，有的試驗(yàn)現(xiàn)場對人體的損害比較大，需要遠(yuǎn)距離進(jìn)行控制和檢測電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。所以，必須利用計(jì)算機(jī)程序控制變頻器實(shí)現(xiàn)一些特殊控制功能。這就要求計(jì)算機(jī)與變頻器之間存在有效的通訊功能。

2 通訊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

串行通信是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，占用的通信線路少、成本低，在工程通信方式上占有重要地位。本文以內(nèi)置RS 485通訊接口的東元7200MA變頻器為研究對象，設(shè)計(jì)基于LabVIEW的控制變頻器串口的通訊系統(tǒng)。圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

計(jì)算機(jī)通過RS 485通信口與變頻器相連，對變頻器進(jìn)行控制。RS 485串行總線采用平衡發(fā)送和差分接收的方式傳輸信號，具有傳輸距離遠(yuǎn)(約1 219 m)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。而且總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。由于目前PC機(jī)普遍只配有RS 232串口，所以在計(jì)算機(jī)上連接一個RS 232／485轉(zhuǎn)換器，然后再與變頻器的串口相連。將各種動作按照通訊協(xié)議編寫成命令，發(fā)送給變頻器，就達(dá)到了通過PC機(jī)來控制變頻器的目的。同樣，PC機(jī)讀取數(shù)據(jù)也必須由變頻器根據(jù)RS 485通訊協(xié)議進(jìn)行識別和響應(yīng)才能完成。

3 軟件實(shí)現(xiàn)方案

目前，串口通信程序的開發(fā)在Windows操作系統(tǒng)下一般用VB，VC，Delphi等編寫。當(dāng)采用VB，VC開發(fā)程序時，操作者不得不面對非常繁瑣的API函數(shù)編程；而Delphi沒有自帶的串口通信控件，在它的幫助文檔里也沒有提及串口通信，給編程人員帶來許多不便。

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一種基于圖形化的編程語言，它內(nèi)置數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試功能，包括VISA，GPIB，RS 232，DAQ等模塊和基本分析庫；提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理、顯示功能的同時還保證系統(tǒng)靈活性；LabVIEW具有開放的系統(tǒng)互連性及廣泛的硬件支撐，具有DDL和CIN接口，可以與多種設(shè)備直接連接；流程圖式的開發(fā)環(huán)境大大簡化了程序開發(fā)的復(fù)雜程度，縮短開發(fā)周期；界面良好、易于理解，方便調(diào)試和維護(hù)，用它來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與變頻器的串口通信是最為簡捷的方法之一，已經(jīng)具有較廣大的用戶群。

設(shè)置東元7200MA系列變頻器所涉及的主要參數(shù)有端口號、波特率、數(shù)據(jù)位等，具體說明如表1所示。

本程序采用中文版LabVIEW 8.2進(jìn)行通訊編程，在編寫程序之前，安裝的NI VISA驅(qū)動必須和LabVIEW程序版本匹配，避免編程出錯。從變頻器設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)到啟動再到停止有一個順序和時間過程，因此本程序主要采用順序結(jié)構(gòu)和層疊式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

(1)初始化串口，利用VISA Configure SerialPort.VI設(shè)置PC與變頻器通信的基本參數(shù)：端口號、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位、緩沖區(qū)大??；

(2)利用VISA Write.VI寫端口，根據(jù)變頻器的通訊協(xié)議把設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)的動作參數(shù)變成命令符，然后把整個命令幀以ASCII碼字符串的形式發(fā)送到串口；

(3)利用Wait(ms).VI延時等待，主機(jī)發(fā)送命令到變頻器，變頻器判斷命令正確后將數(shù)據(jù)返回給主機(jī)需要一定時間，故這一步需要設(shè)置延時等待。等待時間可根據(jù)變頻器的響應(yīng)時間確定，也可以通過LabVIEW的中的工具確定出程序運(yùn)行時間來設(shè)置等待時間；

(4)再利用VISA Write.VI寫端口，把啟動的動作參數(shù)寫成命令幀并以字符串形式寫入VISA Write.VI的緩沖區(qū)。

以上4步即可完成變頻器以一定的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)動。寫命令到串口的過程在While循環(huán)里進(jìn)行，變頻器啟動后不需要停止，可以直接連續(xù)地設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)數(shù)來更改電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，While循環(huán)內(nèi)采用延時等待處理，延時500 ms；

同理，停止命令以一個層疊式順序結(jié)構(gòu)和上面(2)，(3)兩步命令層疊進(jìn)行，同樣先需要設(shè)定變頻器轉(zhuǎn)數(shù)為零，然后延時等待，最后把停止命令以字符串形式發(fā)給串口，完成變頻器的停止動作；

最后，利用VISA Close.VI關(guān)閉串口；串口不再使用時需要關(guān)閉，使其處于空閑狀態(tài)，便于下一次打開串口。整個串口通信完畢后用Exit LabVIEW.VI退出此程序。程序的主要代碼框圖如圖2所示。

程序的一個很大的優(yōu)點(diǎn)在于，將變頻器速度控制與變頻器的啟停控制整合到一起，使得程序操作簡單，更加優(yōu)化合理。程序中采用了調(diào)用子VI的方法，大大簡化了流程圖的復(fù)雜程度，提高可讀性，方便查看代碼和調(diào)試程序。

由于變頻器接受的數(shù)據(jù)格式為ASCII碼字符串，所以在命令寫入串口之前必須先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，這里子VI的作用就是將各種參數(shù)值轉(zhuǎn)換成ASCII碼字符串，然后寫入串口。以變頻器的啟動為例，根據(jù)東元變頻器的啟動數(shù)據(jù)格式，以十六進(jìn)制形式發(fā)送01100000 0001 0200 0167 90，利用反饋節(jié)點(diǎn)將此字符串拆分成字符串?dāng)?shù)組，再轉(zhuǎn)換為數(shù)值數(shù)組，然后利用字ByteArray To String.VI模塊，將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成ASCII碼字符串。變頻器接受ASCII碼后經(jīng)過算法還原，然后去執(zhí)行相應(yīng)的操作。就可以啟動變頻器，程序代碼框圖如圖3所示。

程序中局部變量的使用也大大簡化了程序開發(fā)的復(fù)雜程度，和Visual C++等基于文本的編程語言不同，LabVIEW中的各個對象之間是靠連線來傳遞數(shù)據(jù)的，但是在需要兩個程序之間交換數(shù)據(jù)時，靠連線的方式是不行的；即便是在同一個程序中的對象之間交換數(shù)據(jù)，有時也會遇到麻煩。在這種情況下，就需要使用局部變量。

串口通信操作前面板如圖4所示，直接在面板上設(shè)置參數(shù)，簡潔明了，易于操作。在試驗(yàn)過程中可以隨意連續(xù)的更改轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

4 結(jié)果驗(yàn)證

這里主要是檢查電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否與設(shè)定狀態(tài)吻合，變頻器根據(jù)PC機(jī)發(fā)送的指令控制電機(jī)，然后又將電機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)讀取上來。讀取變頻器的狀態(tài)指令，可利用VISA Read.VI模塊，程序具體實(shí)現(xiàn)方法與上述寫入指令相同。

針對不同情況進(jìn)行錯誤處理：首先在前面板中發(fā)送指令給變頻器，然后去讀取此時變頻器運(yùn)行指令，將讀取上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行指令校驗(yàn)和的驗(yàn)證，做條件判斷：

(1)如果校驗(yàn)正確就說明數(shù)據(jù)指令執(zhí)行成功；

(2)如果很長時間都沒有將變頻器上的轉(zhuǎn)數(shù)讀上來，或者變頻器根本就沒有動作，出現(xiàn)超時錯誤，說明變頻器通訊故障。

(3)讀取的值與設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)值不同，那么指令發(fā)送錯誤，將重新發(fā)送指令。可以在前面板顯示出變頻器的電壓狀態(tài)表，方便直觀地查看電機(jī)工作狀態(tài)。

通過環(huán)一塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)運(yùn)用證明，所開發(fā)的變頻器控制軟件設(shè)計(jì)合理，使用方便，響應(yīng)速度快，盡管電機(jī)存在慣性作用，也能在較短的時間內(nèi)達(dá)到要求的速度，能夠保證當(dāng)摩擦學(xué)試驗(yàn)參數(shù)變化時，電機(jī)仍保持很好的剛性，很好地解決了試驗(yàn)過程中電機(jī)速度控制問題。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于根據(jù)摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的具體試驗(yàn)要求，利用LabVIEW技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與變頻器的通信，利用串行端口來控制變頻器的運(yùn)行，操作簡單，響應(yīng)速度快，能夠連續(xù)、動態(tài)地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，為環(huán)一塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。該設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用在筆者實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際工作中，獲得很好的試驗(yàn)效果。同時，該通信方式簡單、穩(wěn)定、可靠，具有很好的實(shí)時性和可移植性，可供其他串口通信系統(tǒng)參考。