張素萍，李朝強(qiáng)，高照陽(yáng)

(1.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350;2.北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院，北京 102602;3.上海交通大學(xué)，上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

電參數(shù)測(cè)量?jī)x作為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一種重要測(cè)試儀器，在確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠性驗(yàn)證方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是，目前電參數(shù)測(cè)量設(shè)備通常分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)區(qū)域，增加了設(shè)備集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集集中管理的難度，同時(shí)由人工進(jìn)行測(cè)試和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，這必然會(huì)產(chǎn)生人力成本過(guò)高、生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，使得電參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程采集成為可能，本文提出了一種利用LabVIEW智能儀器平臺(tái)，通過(guò)RS485總線對(duì)工業(yè)智能儀表進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)，以微機(jī)(PC機(jī)或工控機(jī))為上位機(jī)，將分布在各處的電參數(shù)測(cè)量?jī)x組成自動(dòng)測(cè)量網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電參數(shù)測(cè)量?jī)x采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程高保真實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由微機(jī)(PC或工控機(jī))、RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、電參數(shù)測(cè)量?jī)x(各儀表地址不能有相同者)、通信線纜等組成。微機(jī)作為上位機(jī)，主要功能是利用LabVIEW監(jiān)控軟件向各電參數(shù)測(cè)量?jī)x輪流發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令、然后接收和處理來(lái)自相應(yīng)電參數(shù)測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)［1］。RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，主要是把微機(jī)串口的RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，這樣既可以將多臺(tái)電參數(shù)測(cè)量?jī)x共用RS485總線組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。電參數(shù)測(cè)量?jī)x負(fù)責(zé)采集和處理被測(cè)信號(hào)、接收微機(jī)命令、向微機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)邏輯框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)邏輯框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是利用工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，組建成一個(gè)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的RS485總線網(wǎng)絡(luò)，其中組建設(shè)備主要包括微機(jī)1臺(tái)、21英寸LED顯示器1臺(tái)、RS232/485轉(zhuǎn)換器1個(gè)、32臺(tái)電參數(shù)測(cè)量?jī)x和32臺(tái)工業(yè)生產(chǎn)被測(cè)設(shè)備，通信電纜若干長(zhǎng)［2］。其中，微機(jī)主要用來(lái)運(yùn)行LabVIEW軟件，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理，然后通過(guò)LED顯示器進(jìn)行顯示，供管理人員進(jìn)行查詢和數(shù)據(jù)分析。32臺(tái)工業(yè)生產(chǎn)被測(cè)設(shè)備主要提供電壓、電流、溫度、阻抗等模擬信號(hào)量，供32臺(tái)電參數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)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(jìn)行多臺(tái)智能儀表組網(wǎng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)PC機(jī)或工控機(jī)與智能儀表之間的通信協(xié)議是一種建立在主從結(jié)構(gòu)之上的遵循命令應(yīng)答的應(yīng)用層通信協(xié)議，其采用一對(duì)多的主從工作方式，即允許一臺(tái)主機(jī)可以與同一網(wǎng)絡(luò)中至少一臺(tái)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而每臺(tái)從機(jī)都必須有唯一的從機(jī)地址，其地址范圍為0～255［3－4］。通信總線是由主機(jī)首先發(fā)出命令幀開(kāi)始，處于同一網(wǎng)絡(luò)中的所有從機(jī)都將收到主機(jī)發(fā)出的命令幀，并且查看命令幀中的地址是否與本機(jī)地址一致。如果一致，則從機(jī)根據(jù)相應(yīng)的命令，向主機(jī)返回應(yīng)答幀，從而完成一次通信過(guò)程。在任何時(shí)刻，各個(gè)從機(jī)之間都不會(huì)以任何形式進(jìn)行任何方式的通信。針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)廠家某種型號(hào)的智能儀表來(lái)說(shuō)，通訊協(xié)議的制定可能會(huì)有不同，但是只要該智能儀表具有RS485接口，基于主從結(jié)構(gòu)的通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是一致的。系統(tǒng)中用到的電參數(shù)測(cè)量?jī)x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(shuō)明

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

2.2.2 通訊幀格式

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

表1 上位機(jī)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(jī)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(cè)量?jī)x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(shè)計(jì)相關(guān)的命令只有一條:上位機(jī)讀取電參數(shù)命令(10H)，具體情況如下:

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

下位機(jī)(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(fù)峰值，電流正峰值，電流負(fù)峰值，電壓波峰系數(shù)，電流波峰系數(shù))+CS，每個(gè)參數(shù)4個(gè)字節(jié)，回送12個(gè)參數(shù)，共回送12×4+4=52個(gè)字節(jié)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于上述的智能儀器組網(wǎng)硬件構(gòu)架，進(jìn)行以軟件為核心的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。測(cè)控軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響著整個(gè)通訊組網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性［5］。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于微機(jī)進(jìn)行研發(fā)的。針對(duì)微機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，目前比較流行的有兩種，一種是面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言，例如 VC++，C#，JAVA，DELPHI，VB等，另一種是可視化的圖形編程語(yǔ)LabVIEW。相對(duì)于傳統(tǒng)面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，LabVIEW具有編程簡(jiǎn)單方便，界面形象直觀，縮短開(kāi)發(fā)周期，并可根據(jù)用戶的需要對(duì)系統(tǒng)做出快速修改等優(yōu)點(diǎn)，所以，本系統(tǒng)選用LabVIEW作為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

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

2.3.1 串口通訊程序功能模塊

在LabVIEW中實(shí)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(gòu)架)驅(qū)動(dòng)程序，另一種是利用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊函數(shù)在VC++、VB中開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)(DLL)供LabVIEW調(diào)用實(shí)現(xiàn)串口通訊。其中，第一種方法(VISA)具有編程簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，界面友好，程序可移植性強(qiáng)、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，所以，本系統(tǒng)選用VISA串口通訊方式。利用VISA串口進(jìn)行通訊程序設(shè)計(jì)，首先確保LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)安裝了VISA驅(qū)動(dòng)程序，然后就可以調(diào)用VISA串口函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。VISA串口函數(shù)主要包括以下幾個(gè)［6－7］:

圖2 系統(tǒng)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)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(jī)中常用到的串口號(hào)分別用COMl和COM2表示。Flow control用于設(shè)置握手方式，buffer size用于設(shè)置緩沖區(qū)的大小。Baud rate，data bits，stopbits，parity分別用于設(shè)置串行通信的波特率，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度，停止位長(zhǎng)度，校驗(yàn)方式。

(2)VISA Write。用于將 write buffer中符寫(xiě)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(shè)置要讀取的字節(jié)數(shù)。

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

本系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)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(yàn)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(jī)LabVIEW對(duì)下位機(jī)電參數(shù)測(cè)量?jī)x回送過(guò)來(lái)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷接收到1幀數(shù)據(jù)的正確與否，當(dāng)接收儀表數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確時(shí)，才能對(duì)其做進(jìn)一步的處理，否則，向用戶提示錯(cuò)誤報(bào)警信息。根據(jù)系統(tǒng)串口通訊協(xié)議約定，對(duì)1幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)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(yàn)和是否正確的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yàn)功能模塊程序框圖

2.3.3 4字節(jié)數(shù)IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)串口通訊協(xié)議約定，可知下位機(jī)電參數(shù)測(cè)量?jī)x回送的每個(gè)采集量為4個(gè)字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，那么如何將1組4字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)，是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

本系統(tǒng)所采用的浮點(diǎn)數(shù)為IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)，該單精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)由4個(gè)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(diǎn)格式及計(jì)算如下:

(1)IEEE754單精度浮點(diǎn)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(diǎn)格式

(2)轉(zhuǎn)為十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)據(jù)公式為

根據(jù)IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)格式及其計(jì)算方法，本功能模塊LabVIEW程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制浮點(diǎn)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(jī)采集的各個(gè)電參數(shù)儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值顯示和波形圖顯示，以方便管理人員進(jìn)行查看。利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)中豐富的顯示控件，即可設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖

2.3.5 采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊

該功能模塊主要是將上位機(jī)LabVIEW采集的電參數(shù)儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)指定位置，便于管理人員今后進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查看和分析。采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法有2種:一種是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EXCEL表格;另一種將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中［8］。鑒于本系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集量不是很大，EXCEL表格強(qiáng)大的圖表顯示及數(shù)據(jù)分析能力以及管理人員對(duì)EXCEL辦公軟件比較熟悉，本系統(tǒng)采用EXCEL表格對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)中有相關(guān)的控件函數(shù)可以將采樣數(shù)據(jù)按照一定的格式存儲(chǔ)到EXCEL表格中。具體部分LabVIEW程序設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 LabVIEW采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊程序設(shè)計(jì)框圖

2.3.6 采集數(shù)據(jù)報(bào)警功能模塊

此功能模塊主要是將上位機(jī)采集的指定電參數(shù)儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(電壓、電流、功率、阻抗)與其相對(duì)應(yīng)的設(shè)定報(bào)警值進(jìn)行比較，高于該報(bào)警值，則主界面上相應(yīng)的報(bào)警指示燈會(huì)進(jìn)行指示，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警聲音提示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以帶有RS485接口的智能儀表8721F型電參數(shù)測(cè)量?jī)x為例，利用RS485總線與微機(jī)的串口，應(yīng)用智能儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 2012實(shí)現(xiàn)了Windows環(huán)境下微機(jī)與多臺(tái)帶有RS485總線接口的電參數(shù)測(cè)量?jī)x的串行通訊［9］，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)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(chǔ)及處理，有效解決了異地分布電參量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化集中采集管理問(wèn)題。已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證自動(dòng)化管理水平。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)魯棒性好，軟硬件易于擴(kuò)展，能夠應(yīng)用到不同的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合，具有較好的實(shí)用性和工程參考價(jià)值。

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