采用LabVIEW的PC機與變頻器的串口通信

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

由于摩擦學(xué)試驗機和摩擦學(xué)測試的特殊性，摩擦學(xué)試驗中的變頻器調速有著(zhù)不同于一般工業(yè)變頻控制的特點(diǎn)。一方面，要求變頻器調速能夠在較大范圍內滿(mǎn)足摩擦學(xué)測試的要求，使得試驗結果具有可比性；另一方面，摩擦磨損試驗過(guò)程中，對控制有一些特殊的要求，例如需要特殊的速度、運動(dòng)的非周期性以及設備的快速啟動(dòng)和停止等。在一些疲勞試驗中，甚至要求電機進(jìn)行寸動(dòng)或者往復運動(dòng)以檢測材料的性能，有的試驗現場(chǎng)對人體的損害比較大，需要遠距離進(jìn)行控制和檢測電機的運轉情況。所以，必須利用計算機程序控制變頻器實(shí)現一些特殊控制功能。這就要求計算機與變頻器之間存在有效的通訊功能。

2 通訊系統總體設計

串行通信是一種常用的數據傳輸方法，占用的通信線(xiàn)路少、成本低，在工程通信方式上占有重要地位。本文以?xún)戎肦S 485通訊接口的東元7200MA變頻器為研究對象，設計基于LabVIEW的控制變頻器串口的通訊系統。圖1所示為系統總體結構框圖。

計算機通過(guò)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(xiàn)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(約1 219 m)、抗干擾能力強等特點(diǎn)。而且總線(xiàn)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。由于目前PC機普遍只配有RS 232串口，所以在計算機上連接一個(gè)RS 232／485轉換器，然后再與變頻器的串口相連。將各種動(dòng)作按照通訊協(xié)議編寫(xiě)成命令，發(fā)送給變頻器，就達到了通過(guò)PC機來(lái)控制變頻器的目的。同樣，PC機讀取數據也必須由變頻器根據RS 485通訊協(xié)議進(jìn)行識別和響應才能完成。

3 軟件實(shí)現方案

目前，串口通信程序的開(kāi)發(fā)在Windows操作系統下一般用VB，VC，Delphi等編寫(xiě)。當采用VB，VC開(kāi)發(fā)程序時(shí)，操作者不得不面對非常繁瑣的API函數編程；而Delphi沒(méi)有自帶的串口通信控件，在它的幫助文檔里也沒(méi)有提及串口通信，給編程人員帶來(lái)許多不便。

LabVIEW是美國NI公司開(kāi)發(fā)的一種基于圖形化的編程語(yǔ)言，它內置數據采集、儀器控制、過(guò)程監控和自動(dòng)測試功能，包括VISA，GPIB，RS 232，DAQ等模塊和基本分析庫；提供強大的數據分析、處理、顯示功能的同時(shí)還保證系統靈活性；LabVIEW具有開(kāi)放的系統互連性及廣泛的硬件支撐，具有DDL和CIN接口，可以與多種設備直接連接；流程圖式的開(kāi)發(fā)環(huán)境大大簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)的復雜程度，縮短開(kāi)發(fā)周期；界面良好、易于理解，方便調試和維護，用它來(lái)實(shí)現PC機與變頻器的串口通信是最為簡(jiǎn)捷的方法之一，已經(jīng)具有較廣大的用戶(hù)群。

設置東元7200MA系列變頻器所涉及的主要參數有端口號、波特率、數據位等，具體說(shuō)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(xiě)程序之前，安裝的NI VISA驅動(dòng)必須和LabVIEW程序版本匹配，避免編程出錯。從變頻器設置轉數到啟動(dòng)再到停止有一個(gè)順序和時(shí)間過(guò)程，因此本程序主要采用順序結構和層疊式結構實(shí)現。具體步驟如下：

(1)初始化串口，利用VISA Configure SerialPort.VI設置PC與變頻器通信的基本參數：端口號、波特率、奇偶校驗、數據位、停止位、緩沖區大??；

(2)利用VISA Write.VI寫(xiě)端口，根據變頻器的通訊協(xié)議把設定轉數的動(dòng)作參數變成命令符，然后把整個(gè)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(shí)等待，主機發(fā)送命令到變頻器，變頻器判斷命令正確后將數據返回給主機需要一定時(shí)間，故這一步需要設置延時(shí)等待。等待時(shí)間可根據變頻器的響應時(shí)間確定，也可以通過(guò)LabVIEW的中的工具確定出程序運行時(shí)間來(lái)設置等待時(shí)間；

(4)再利用VISA Write.VI寫(xiě)端口，把啟動(dòng)的動(dòng)作參數寫(xiě)成命令幀并以字符串形式寫(xiě)入VISA Write.VI的緩沖區。

以上4步即可完成變頻器以一定的轉數轉動(dòng)。寫(xiě)命令到串口的過(guò)程在While循環(huán)里進(jìn)行，變頻器啟動(dòng)后不需要停止，可以直接連續地設置變頻器的轉數來(lái)更改電機轉動(dòng)速度，While循環(huán)內采用延時(shí)等待處理，延時(shí)500 ms；

同理，停止命令以一個(gè)層疊式順序結構和上面(2)，(3)兩步命令層疊進(jìn)行，同樣先需要設定變頻器轉數為零，然后延時(shí)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(dòng)作；

最后，利用VISA Close.VI關(guān)閉串口；串口不再使用時(shí)需要關(guān)閉，使其處于空閑狀態(tài)，便于下一次打開(kāi)串口。整個(gè)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(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)在于，將變頻器速度控制與變頻器的啟?？刂普系揭黄?，使得程序操作簡(jiǎn)單，更加優(yōu)化合理。程序中采用了調用子VI的方法，大大簡(jiǎn)化了流程圖的復雜程度，提高可讀性，方便查看代碼和調試程序。

由于變頻器接受的數據格式為ASCII碼字符串，所以在命令寫(xiě)入串口之前必須先進(jìn)行數據格式的轉換，這里子VI的作用就是將各種參數值轉換成ASCII碼字符串，然后寫(xiě)入串口。以變頻器的啟動(dòng)為例，根據東元變頻器的啟動(dòng)數據格式，以十六進(jìn)制形式發(fā)送01100000 0001 0200 0167 90，利用反饋節點(diǎn)將此字符串拆分成字符串數組，再轉換為數值數組，然后利用字ByteArray To String.VI模塊，將字節數組轉換成ASCII碼字符串。變頻器接受ASCII碼后經(jīng)過(guò)算法還原，然后去執行相應的操作。就可以啟動(dòng)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(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)的復雜程度，和Visual C++等基于文本的編程語(yǔ)言不同，LabVIEW中的各個(gè)對象之間是靠連線(xiàn)來(lái)傳遞數據的，但是在需要兩個(gè)程序之間交換數據時(shí)，靠連線(xiàn)的方式是不行的；即便是在同一個(gè)程序中的對象之間交換數據，有時(shí)也會(huì )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，直接在面板上設置參數，簡(jiǎn)潔明了，易于操作。在試驗過(guò)程中可以隨意連續的更改轉數，實(shí)現無(wú)級調速。

4 結果驗證

這里主要是檢查電機的運行狀態(tài)是否與設定狀態(tài)吻合，變頻器根據PC機發(fā)送的指令控制電機，然后又將電機的當前工作狀態(tài)讀取上來(lái)。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)現方法與上述寫(xiě)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(shí)變頻器運行指令，將讀取上來(lái)的數據進(jìn)行指令校驗和的驗證，做條件判斷：

(1)如果校驗正確就說(shuō)明數據指令執行成功；

(2)如果很長(cháng)時(shí)間都沒(méi)有將變頻器上的轉數讀上來(lái)，或者變頻器根本就沒(méi)有動(dòng)作，出現超時(shí)錯誤，說(shuō)明變頻器通訊故障。

(3)讀取的值與設定轉數值不同，那么指令發(fā)送錯誤，將重新發(fā)送指令?？梢栽谇懊姘屣@示出變頻器的電壓狀態(tài)表，方便直觀(guān)地查看電機工作狀態(tài)。

通過(guò)環(huán)一塊摩擦磨損試驗機的試驗運用證明，所開(kāi)發(fā)的變頻器控制軟件設計合理，使用方便，響應速度快，盡管電機存在慣性作用，也能在較短的時(shí)間內達到要求的速度，能夠保證當摩擦學(xué)試驗參數變化時(shí)，電機仍保持很好的剛性，很好地解決了試驗過(guò)程中電機速度控制問(wèn)題。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于根據摩擦學(xué)試驗機的具體試驗要求，利用LabVIEW技術(shù)實(shí)現計算機與變頻器的通信，利用串行端口來(lái)控制變頻器的運行，操作簡(jiǎn)單，響應速度快，能夠連續、動(dòng)態(tài)地改變電機轉速，為環(huán)一塊摩擦磨損試驗機的試驗系統提供了強大的技術(shù)支持。該設計方法已應用在筆者實(shí)驗室的實(shí)際工作中，獲得很好的試驗效果。同時(shí)，該通信方式簡(jiǎn)單、穩定、可靠，具有很好的實(shí)時(shí)性和可移植性，可供其他串口通信系統參考。