李海燕，郭前崗，周西峰

（南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

多電機集群控制系統(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)場總線方式實現(xiàn)多電機系統(tǒng)的實時控制，如CAN總線，其控制主板主要有單片機、PLC、DSP等，上位機多為工控組態(tài)軟件［1］。本文利用TMS320F2812型數(shù)字信號處理器控制無刷直流電機并采集數(shù)據(jù)，采用RS-232以總線方式實現(xiàn)上位機LabVIEW與集內(nèi)各主控板的串行通信，LabVIEW把接收到的數(shù)據(jù)，用形象的圖表實時顯示。對LabVIEW控制系統(tǒng)的要求主要是：①可以通過控制總線對集內(nèi)控制主板進(jìn)行積分參數(shù)、比例參數(shù)的調(diào)節(jié)；②可以查詢每臺電機的實時參數(shù)。

LabVIEW對串口的讀寫提供了很多專用的函數(shù)和接口類型，可以方便地實現(xiàn)上位機與DSP的數(shù)據(jù)通信，這不僅充分發(fā)揮了LabVIEW的圖形界面語言的優(yōu)越性，而且僅需要簡單的低成本設(shè)備就可以形象生動地監(jiān)控電機的運轉(zhuǎn)狀況［2］。除此之外，LabVIEW可以對數(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，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)電機的參數(shù)，實現(xiàn)LabVIEW對集群電機的實時監(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。其中控制室計算機（上位機）由LabVIEW實現(xiàn)；DSP控制主板為TMS320F2812型數(shù)字信號處理器，10臺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，實現(xiàn)上位機與集內(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個部分。

①無刷直流電機試驗平臺；

②TMS320F2812（DSP）軟件開發(fā)平臺；此平臺是通用運動控制系統(tǒng)綜合實驗與研究開發(fā)平臺，可以驅(qū)動無刷直流電機、永磁同步電機和感應(yīng)電機。

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，實現(xiàn)LabVIEW 與 DSP 的串口通信［3］。

④RS-232總線；很容易實現(xiàn)上位機LabVIEW與DSP軟件開發(fā)平臺的通信。

⑤LabVIEW軟件平臺。充分發(fā)揮了LabVIEW的圖形界面語言的優(yōu)越性，實現(xiàn)了低成本快速搭建小型電機監(jiān)控系統(tǒng)。

基于無刷直流電機的集內(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

3.1 DSP設(shè)計

3.1.1 串行通信硬件部分設(shè)計

TMS320F2812的串行通信接口模塊（SCI）是一個標(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級接收和發(fā)送FIFO，發(fā)送和接收具有自己獨立的使能和中斷位，可以工作在半雙工或全雙工通信模式［4］。波特率可以通過編寫兩個8位的波特率選擇器SCIHBAUD和SCILBAUD來改變，SCI模塊的串行時鐘由低速外設(shè)時鐘LSPCLK和波特率選擇寄存器BSR的值確定。其波特率計算公式如下：

要實現(xiàn)同步問題，必須保證時鐘一致性，選擇LSPCLK為37.5MHz，BSR為00F3H，故標(biāo)稱波特率為19200b/s。

串口通信使用計算機內(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，而且不失測試的準(zhǔn)確性。采用了RS-232串行總線實現(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輸入輸出信號為TTL電平，邏輯1為3.3V左右，邏輯0為0.4V左右，因此采用RS-232C專門的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(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現(xiàn)

在通信的開始應(yīng)先對其中一些寄存器進(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、接受啟動等。串口初始化程序如下：

3.2 LabVIEW程序設(shè)計

3.2.1 VISA介紹

LabVIEW提供了功能強大的VISA庫。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）—虛擬儀器軟件架構(gòu)，已成為實現(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關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)I/O軟件規(guī)范，實質(zhì)上VISA是一組標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，扮演了計算機與儀器之間的中間層連接角色，為計算機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個特點：①其I/O控制功能適用于多種儀器類型（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)機制，無論是由虛擬儀器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的VXI多機箱擴展網(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)計主要包括串口初始化、握手、讀寫數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和分析等幾部分。通過調(diào)用VISA函數(shù)中的一組I/O庫函數(shù)實現(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)計流程圖

4 實驗結(jié)果

通過組成此實驗系統(tǒng)，實現(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，控制電機運動時的參數(shù)，圖形化的實時監(jiān)控電壓、電流、轉(zhuǎn)速的變化，以及電壓、電流、轉(zhuǎn)速運行對比，方便實驗者觀察電機運轉(zhuǎn)狀況。本文給出了LabVIEW與1#DSP控制主板通信時電機轉(zhuǎn)速的圖形變化情況，其中電機運動時轉(zhuǎn)速波形如圖5所示。

圖5 顯示轉(zhuǎn)速時的控制界面圖

5 結(jié)論

這一電機集群控制系統(tǒng)被應(yīng)用于無刷直流電機實驗系統(tǒng)中，并取得了較理想的結(jié)果。通過RS-232總線實現(xiàn)了LabVIEW與集內(nèi)控制主板DSP的串行通信。實踐證明，該平臺具有以下特點：操作簡單，界面友好，使用者可以直觀地觀察電機轉(zhuǎn)動的參數(shù)；功能豐富，可以讀寫串口數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)電機參數(shù)；可移植性強，可以應(yīng)用于無刷直流電機集群控制系統(tǒng)中，簡單地改變一些參數(shù)就可以應(yīng)用到異步電機控制系統(tǒng)及單片機控制的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)中等；使用起來靈活，編譯生成exe文件，可以方便地安裝在沒有安裝LabVIEW的機器上。

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，可對此試驗平臺做進(jìn)一步的擴展，如硬件系統(tǒng)性能的提高，成本的進(jìn)一步降低，其它總線接口的擴展，用戶控制界面的改進(jìn)，無線網(wǎng)絡(luò)化的控制等，使此試驗平臺不斷完善。

［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］.電氣傳動自動化，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］.電子測量與儀器學(xué)報，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］.計算機工程，2009,35（4）：94-96.

［6］張 凱，周 陬，郭 棟.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：244-253.