基于LabVIEW的電機(jī)集群控制系統(tǒng)

李海燕，郭前崗，周西峰

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

多電機(jī)集群控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于紡織業(yè)、印染業(yè)、石化、冶金、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，多采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，如CAN總線，其控制主板主要有單片機(jī)、PLC、DSP等，上位機(jī)多為工控組態(tài)軟件［1］。本文利用TMS320F2812型數(shù)字信號(hào)處理器控制無(wú)刷直流電機(jī)并采集數(shù)據(jù)，采用RS-232以總線方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與集內(nèi)各主控板的串行通信，LabVIEW把接收到的數(shù)據(jù)，用形象的圖表實(shí)時(shí)顯示。對(duì)LabVIEW控制系統(tǒng)的要求主要是：①可以通過(guò)控制總線對(duì)集內(nèi)控制主板進(jìn)行積分參數(shù)、比例參數(shù)的調(diào)節(jié)；②可以查詢(xún)每臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)。

LabVIEW對(duì)串口的讀寫(xiě)提供了很多專(zhuān)用的函數(shù)和接口類(lèi)型，可以方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)通信，這不僅充分發(fā)揮了LabVIEW的圖形界面語(yǔ)言的優(yōu)越性，而且僅需要簡(jiǎn)單的低成本設(shè)備就可以形象生動(dòng)地監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況［2］。除此之外，LabVIEW可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的分析處理，如FFT變換、濾除干擾、諧波分析等。RS-232C是目前最常用的串行通信總線接口，本文利用RS-232C串行通信接口，首先，LabVIEW與DSP握手，保證了LabVIEW與DSP的同步，防止數(shù)據(jù)的丟失。同時(shí)，LabVIEW可以調(diào)節(jié)DSP的參數(shù)，握手之后傳送數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)電機(jī)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)集群電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中控制室計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）由LabVIEW實(shí)現(xiàn)；DSP控制主板為T(mén)MS320F2812型數(shù)字信號(hào)處理器，10臺(tái)DSP控制主板，組成集群式的網(wǎng)絡(luò)，采用RS-232串口以總線方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與集內(nèi)各控制主板的串行通信。

2.2 具體集內(nèi)系統(tǒng)組成

具體的集內(nèi)系統(tǒng)組成主要包括以下5個(gè)部分。

①無(wú)刷直流電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)；

②TMS320F2812（DSP）軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)；此平臺(tái)是通用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)與研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。

③電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232；將TTL或CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)電平，實(shí)現(xiàn)LabVIEW 與 DSP 的串口通信［3］。

④RS-232總線；很容易實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與DSP軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的通信。

⑤LabVIEW軟件平臺(tái)。充分發(fā)揮了LabVIEW的圖形界面語(yǔ)言的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了低成本快速搭建小型電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

基于無(wú)刷直流電機(jī)的集內(nèi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 具體集內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 集內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 DSP設(shè)計(jì)

3.1.1 串行通信硬件部分設(shè)計(jì)

TMS320F2812的串行通信接口模塊（SCI）是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步接受/發(fā)送器，為異步串行通信方式。其接收器和發(fā)送器都為雙緩沖模式，支持16級(jí)接收和發(fā)送FIFO，發(fā)送和接收具有自己獨(dú)立的使能和中斷位，可以工作在半雙工或全雙工通信模式［4］。波特率可以通過(guò)編寫(xiě)兩個(gè)8位的波特率選擇器SCIHBAUD和SCILBAUD來(lái)改變，SCI模塊的串行時(shí)鐘由低速外設(shè)時(shí)鐘LSPCLK和波特率選擇寄存器BSR的值確定。其波特率計(jì)算公式如下：

要實(shí)現(xiàn)同步問(wèn)題，必須保證時(shí)鐘一致性，選擇LSPCLK為37.5MHz，BSR為00F3H，故標(biāo)稱(chēng)波特率為19200b/s。

串口通信使用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的串口，只要一根串口線就可以達(dá)到發(fā)送或接受的目的，而且不失測(cè)試的準(zhǔn)確性。采用了RS-232串行總線實(shí)現(xiàn)DSP與LabVIEW的通信。其中RS-232C是目前最常用的串行通信總線接口，其全稱(chēng)是“使用二進(jìn)制進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的接口”。在電氣特性上，RS-232C采用負(fù)邏輯電平，-3～-15V為邏輯“1”，+3～+15為邏輯“0”。通常采用-10左右為邏輯1，+10左右為邏輯0。由于TMS320F2812輸入輸出信號(hào)為T(mén)TL電平，邏輯1為3.3V左右，邏輯0為0.4V左右，因此采用RS-232C專(zhuān)門(mén)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換［5］。其RS-232C接口電路如圖3所示。

圖3 RS-232C接口電路

3.1.2 串行通信軟件部分的實(shí)現(xiàn)

在通信的開(kāi)始應(yīng)先對(duì)其中一些寄存器進(jìn)行初始化，初始化主要包括：硬件接口的初始化、波特率的設(shè)定、接受啟動(dòng)等。串口初始化程序如下：

3.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3.2.1 VISA介紹

LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）—虛擬儀器軟件架構(gòu)，已成為實(shí)現(xiàn)儀器控制的通用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口（API），建立了與儀器接口總線無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)I/O軟件規(guī)范，實(shí)質(zhì)上VISA是一組標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，扮演了計(jì)算機(jī)與儀器之間的中間層連接角色，為計(jì)算機(jī)和儀器的順利通信提供了通道。

VISA是所有現(xiàn)存I/O接口軟件的功能超集，與現(xiàn)存的I/O接口軟件相比，它具有如下4個(gè)特點(diǎn)：①其I/O控制功能適用于多種儀器類(lèi)型（如GPIB、VXI、串口等多種儀器接口控制操作）；②適用于各種硬件接口類(lèi)型；③適用于單、多處理器結(jié)構(gòu)或分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；④用于多種網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，無(wú)論是由虛擬儀器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的VXI多機(jī)箱擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，還是以太網(wǎng)，儀器操作是一致的［6］。

3.2.2 VISA串口通訊函數(shù)

LabVIEW的串口通訊VI位于Instrument I/O Platte的Serial中，其調(diào)用路徑為：函數(shù)>>儀器I/O>>串口，主要的串口通訊VI如表1所示。

表1 主要的串口通訊VI

3.2.3 軟件流程

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)主要包括串口初始化、握手、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和分析等幾部分。通過(guò)調(diào)用VISA函數(shù)中的一組I/O庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口的配置和通信，其流程圖如圖4所示。

圖4 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)組成此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與集內(nèi)各控制主板的串行通信，此控制界面可以方便地選擇串口、波特率，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)，圖形化的實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流、轉(zhuǎn)速的變化，以及電壓、電流、轉(zhuǎn)速運(yùn)行對(duì)比，方便實(shí)驗(yàn)者觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。本文給出了LabVIEW與1#DSP控制主板通信時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的圖形變化情況，其中電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速波形如圖5所示。

圖5 顯示轉(zhuǎn)速時(shí)的控制界面圖

5 結(jié)論

這一電機(jī)集群控制系統(tǒng)被應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，并取得了較理想的結(jié)果。通過(guò)RS-232總線實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與集內(nèi)控制主板DSP的串行通信。實(shí)踐證明，該平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，界面友好，使用者可以直觀地觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)；功能豐富，可以讀寫(xiě)串口數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)；可移植性強(qiáng)，可以應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)集群控制系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單地改變一些參數(shù)就可以應(yīng)用到異步電機(jī)控制系統(tǒng)及單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中等；使用起來(lái)靈活，編譯生成exe文件，可以方便地安裝在沒(méi)有安裝LabVIEW的機(jī)器上。

但由于受RS-232C串行通信的限制，只能用于短距離的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在今后改進(jìn)方面上，可對(duì)此試驗(yàn)平臺(tái)做進(jìn)一步的擴(kuò)展，如硬件系統(tǒng)性能的提高，成本的進(jìn)一步降低，其它總線接口的擴(kuò)展，用戶(hù)控制界面的改進(jìn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化的控制等，使此試驗(yàn)平臺(tái)不斷完善。

［1］王 麗，黨懷東，趙 斌.基于NI_LabVIEW的超導(dǎo)磁鐵電源接地電流監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007，29（1）:49-51.

［2］王 葵，董 罡，邢在奎.基于LabVIEW虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集和故障錄波［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2004,18（4）:83-88.

［3］N Kehtarnavaz，C，Gope.DSP System design using Lab-VIEW and simulink:A comparative evaluation ［J］.IEEE,ICASSP2006,985-988.

［4］韓豐田.TMS320F2812x DSP原理及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［5］戴 鵬，劉 劍，符曉等.基于TMS320F2812與LabVIEW的串口通信［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009,35（4）：94-96.

［6］張 凱，周 陬，郭 棟.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：244-253.