基于RS485和LabVIEW的電參數(shù)測量儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張素萍，李朝強，高照陽

(1.天津中德職業(yè)技術學院，天津 300350;2.北京經(jīng)濟管理職業(yè)學院，北京 102602;3.上海交通大學，上海市復雜薄板結構數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240)

0 引言

電參數(shù)測量儀作為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的一種重要測試儀器，在確保產(chǎn)品質量可靠性驗證方面發(fā)揮著至關重要的作用。但是，目前電參數(shù)測量設備通常分布在現(xiàn)場的各個區(qū)域，增加了設備集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集集中管理的難度，同時由人工進行測試和記錄相關數(shù)據(jù)，這必然會產(chǎn)生人力成本過高、生產(chǎn)效率低下的問題。網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，使得電參數(shù)的網(wǎng)絡化遠程采集成為可能，本文提出了一種利用LabVIEW智能儀器平臺，通過RS485總線對工業(yè)智能儀表進行組網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集程序的新方法。系統(tǒng)以軟件為核心，采用模塊化設計，以微機(PC機或工控機)為上位機，將分布在各處的電參數(shù)測量儀組成自動測量網(wǎng)，實現(xiàn)多臺電參數(shù)測量儀采集數(shù)據(jù)的遠程高保真實時傳輸，實現(xiàn)集中化管理，數(shù)據(jù)深加工和信息深處理，以及數(shù)據(jù)保存和多形式輸出等功能［1］。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由微機(PC或工控機)、RS232/RS485轉換器、電參數(shù)測量儀(各儀表地址不能有相同者)、通信線纜等組成。微機作為上位機，主要功能是利用LabVIEW監(jiān)控軟件向各電參數(shù)測量儀輪流發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令、然后接收和處理來自相應電參數(shù)測量儀的數(shù)據(jù)［1］。RS232/RS485轉換器，主要是把微機串口的RS232信號轉換為RS485信號，這樣既可以將多臺電參數(shù)測量儀共用RS485總線組成監(jiān)測網(wǎng)，又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。電參數(shù)測量儀負責采集和處理被測信號、接收微機命令、向微機發(fā)送采集的數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)總體設計邏輯框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

圖1 系統(tǒng)總體設計邏輯框圖

系統(tǒng)硬件設計主要是利用工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設備，組建成一個安全、穩(wěn)定、可靠運行的RS485總線網(wǎng)絡，其中組建設備主要包括微機1臺、21英寸LED顯示器1臺、RS232/485轉換器1個、32臺電參數(shù)測量儀和32臺工業(yè)生產(chǎn)被測設備，通信電纜若干長［2］。其中，微機主要用來運行LabVIEW軟件，對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的相關實時數(shù)據(jù)進行采集及處理，然后通過LED顯示器進行顯示，供管理人員進行查詢和數(shù)據(jù)分析。32臺工業(yè)生產(chǎn)被測設備主要提供電壓、電流、溫度、阻抗等模擬信號量，供32臺電參數(shù)測量儀進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 系統(tǒng)通訊協(xié)議約定

鑒于系統(tǒng)采用RS485工業(yè)總線進行多臺智能儀表組網(wǎng)的特點，系統(tǒng)PC機或工控機與智能儀表之間的通信協(xié)議是一種建立在主從結構之上的遵循命令應答的應用層通信協(xié)議，其采用一對多的主從工作方式，即允許一臺主機可以與同一網(wǎng)絡中至少一臺從機進行數(shù)據(jù)通信，而每臺從機都必須有唯一的從機地址，其地址范圍為0～255［3－4］。通信總線是由主機首先發(fā)出命令幀開始，處于同一網(wǎng)絡中的所有從機都將收到主機發(fā)出的命令幀，并且查看命令幀中的地址是否與本機地址一致。如果一致，則從機根據(jù)相應的命令，向主機返回應答幀，從而完成一次通信過程。在任何時刻，各個從機之間都不會以任何形式進行任何方式的通信。針對某個生產(chǎn)廠家某種型號的智能儀表來說，通訊協(xié)議的制定可能會有不同，但是只要該智能儀表具有RS485接口，基于主從結構的通訊協(xié)議的設計思想是一致的。系統(tǒng)中用到的電參數(shù)測量儀這里以8721F型為例。其通訊協(xié)議約定如下:

2.2.1 通訊字節(jié)格式說明

8位數(shù)據(jù)、1位起始位、1位停止位、無校驗。先傳低位，后傳高位，位傳送方式與微機一樣(先傳低位，后傳高位)

2.2.2 通訊幀格式

(1)上位機發(fā)送格式:55H-Address-Command-CS，如表1所示。

表1 上位機發(fā)送命令格式表

(2)儀表回送格式 :AA-Address-Command-Data-CS，如表2所示。

表2 儀表回送數(shù)據(jù)格式表

(3)傳送的速率:300～9 600。

2.3.3 上位機發(fā)送通訊命令及儀表回送數(shù)據(jù)命令

8721F型電參數(shù)測量儀的通訊命令及儀表回送數(shù)據(jù)命令很多，但是與本系統(tǒng)設計相關的命令只有一條:上位機讀取電參數(shù)命令(10H)，具體情況如下:

上位機發(fā)送讀取電參數(shù)命令格式:55H+Address+10H+CS;

下位機(儀表)回送數(shù)據(jù)格式:AAH+Address+10H+數(shù)據(jù)(電壓，電流，功率，功率因數(shù)，電壓頻率，電流頻率，電壓正峰值，電壓負峰值，電流正峰值，電流負峰值，電壓波峰系數(shù)，電流波峰系數(shù))+CS，每個參數(shù)4個字節(jié)，回送12個參數(shù)，共回送12×4+4=52個字節(jié)。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

基于上述的智能儀器組網(wǎng)硬件構架，進行以軟件為核心的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。測控軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，其設計的好壞將直接影響著整個通訊組網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的準確性［5］。系統(tǒng)軟件設計是基于微機進行研發(fā)的。針對微機的軟件開發(fā)語言，目前比較流行的有兩種，一種是面向對象的可視化編程語言，例如 VC++，C#，JAVA，DELPHI，VB等，另一種是可視化的圖形編程語LabVIEW。相對于傳統(tǒng)面向對象編程語言，LabVIEW具有編程簡單方便，界面形象直觀，縮短開發(fā)周期，并可根據(jù)用戶的需要對系統(tǒng)做出快速修改等優(yōu)點，所以，本系統(tǒng)選用LabVIEW作為系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)平臺。

系統(tǒng)根據(jù)軟件工程模塊化的設計思想，主要分為串行通訊、采集數(shù)據(jù)校驗、采集數(shù)據(jù)浮點數(shù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)報警等功能模塊，并提供統(tǒng)計、分析、繪制圖表、存儲、打印等工作。把各模塊設計成子Vi形式供主程序動態(tài)的調(diào)用。軟件設計流程如圖2所示。

2.3.1 串口通訊程序功能模塊

在LabVIEW中實現(xiàn)串口通訊有2種方法:一種是利用其自身的VISA(虛擬儀器軟件構架)驅動程序，另一種是利用標準串口通訊函數(shù)在VC++、VB中開發(fā)動態(tài)鏈接庫函數(shù)(DLL)供LabVIEW調(diào)用實現(xiàn)串口通訊。其中，第一種方法(VISA)具有編程簡單，開發(fā)周期短，界面友好，程序可移植性強、易維護的優(yōu)點，所以，本系統(tǒng)選用VISA串口通訊方式。利用VISA串口進行通訊程序設計，首先確保LabVIEW開發(fā)平臺安裝了VISA驅動程序，然后就可以調(diào)用VISA串口函數(shù)進行程序設計。VISA串口函數(shù)主要包括以下幾個［6－7］:

圖2 系統(tǒng)測控軟件設計流程圖

(1)VISA onfigUre Serial Port。用于初始化所選擇的串行口。其中VISA resource name用于選擇所用到的串行口，PC機中常用到的串口號分別用COMl和COM2表示。Flow control用于設置握手方式，buffer size用于設置緩沖區(qū)的大小。Baud rate，data bits，stopbits，parity分別用于設置串行通信的波特率，數(shù)據(jù)位長度，停止位長度，校驗方式。

(2)VISA Write。用于將 write buffer中符寫到 VISA resource name指定的串行接口中。

(3)VISA Read。從ⅥSA resouree name指定的串行接口中讀取規(guī)定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給read buffer。Byte count用于設置要讀取的字節(jié)數(shù)。

(4)VISA Close。用于關閉VISA resource name指定的串行口，讓出串行口的使用權。

本系統(tǒng)中上位機與下位機之間的RS485串口通訊Lab-VIEW程序框圖如圖3所示。

2.3.2 串口通訊數(shù)據(jù)校驗功能模塊

圖3 LabVIEW串行通訊功能模塊程序框圖

該功能模塊主要是上位機LabVIEW對下位機電參數(shù)測量儀回送過來的采樣數(shù)據(jù)進行校驗，判斷接收到1幀數(shù)據(jù)的正確與否，當接收儀表數(shù)據(jù)校驗正確時，才能對其做進一步的處理，否則，向用戶提示錯誤報警信息。根據(jù)系統(tǒng)串口通訊協(xié)議約定，對1幀數(shù)據(jù)的校驗采用依次判斷幀起始符、儀表地址、命令字以及數(shù)據(jù)校驗和是否正確的方法進行設計，具體LabVIEW程序框圖如圖4所示。

圖4 LabVIEW串口通訊數(shù)據(jù)校驗功能模塊程序框圖

2.3.3 4字節(jié)數(shù)IEEE754單精度浮點數(shù)轉換成十進制浮點數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)串口通訊協(xié)議約定，可知下位機電參數(shù)測量儀回送的每個采集量為4個字節(jié)的浮點數(shù)，那么如何將1組4字節(jié)數(shù)轉換成十進制浮點數(shù)，是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的一個重點。

本系統(tǒng)所采用的浮點數(shù)為IEEE754單精度浮點數(shù)，該單精度浮點數(shù)據(jù)由4個字節(jié)組成，其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，4字節(jié)共32位。IEEE754單精度浮點格式及計算如下:

(1)IEEE754單精度浮點格式(共4字節(jié)32位，從高到低)如表3所示。

表3 IEEE754單精度浮點格式

(2)轉為十進制浮點數(shù)據(jù)公式為

根據(jù)IEEE754單精度浮點數(shù)格式及其計算方法，本功能模塊LabVIEW程序設計如圖5所示。

圖5 IEEE754單精度浮點數(shù)轉換成十進制浮點數(shù)程序框圖

2.3.4 采集數(shù)據(jù)顯示功能模塊

此功能模塊將上位機采集的各個電參數(shù)儀的實時數(shù)據(jù)進行實時數(shù)值顯示和波形圖顯示，以方便管理人員進行查看。利用LabVIEW開發(fā)平臺中豐富的顯示控件，即可設計出系統(tǒng)的LabVIEW顯示界面，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)LabVIEW顯示功能模塊界面設計圖

2.3.5 采集數(shù)據(jù)存儲功能模塊

該功能模塊主要是將上位機LabVIEW采集的電參數(shù)儀實時數(shù)據(jù)存儲到上位機指定位置，便于管理人員今后進行歷史數(shù)據(jù)查看和分析。采集數(shù)據(jù)的存儲方法有2種:一種是將數(shù)據(jù)存儲到EXCEL表格;另一種將數(shù)據(jù)存儲到指定的數(shù)據(jù)庫中［8］。鑒于本系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集量不是很大，EXCEL表格強大的圖表顯示及數(shù)據(jù)分析能力以及管理人員對EXCEL辦公軟件比較熟悉，本系統(tǒng)采用EXCEL表格對采集的數(shù)據(jù)進行存儲。LabVIEW開發(fā)平臺中有相關的控件函數(shù)可以將采樣數(shù)據(jù)按照一定的格式存儲到EXCEL表格中。具體部分LabVIEW程序設計框圖如圖7所示。

圖7 LabVIEW采集數(shù)據(jù)存儲功能模塊程序設計框圖

2.3.6 采集數(shù)據(jù)報警功能模塊

此功能模塊主要是將上位機采集的指定電參數(shù)儀實時數(shù)據(jù)(電壓、電流、功率、阻抗)與其相對應的設定報警值進行比較，高于該報警值，則主界面上相應的報警指示燈會進行指示，同時會出現(xiàn)報警聲音提示。

3 結束語

本文以帶有RS485接口的智能儀表8721F型電參數(shù)測量儀為例，利用RS485總線與微機的串口，應用智能儀器開發(fā)平臺LabVIEW 2012實現(xiàn)了Windows環(huán)境下微機與多臺帶有RS485總線接口的電參數(shù)測量儀的串行通訊［9］，在此基礎上實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被測產(chǎn)品的電壓、電流、功率、頻率等模擬電參數(shù)量的智能化采集、顯示、存儲及處理，有效解決了異地分布電參量數(shù)據(jù)實時網(wǎng)絡化集中采集管理問題。已成功應用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，現(xiàn)場測試表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品測試驗證自動化管理水平。整個系統(tǒng)硬件結構簡單，軟件設計魯棒性好，軟硬件易于擴展，能夠應用到不同的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集場合，具有較好的實用性和工程參考價值。

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