采用LabVIEW的PC机与变频器的串口通信

      本文针对摩擦学试验研究的特点，采用广泛使用的LabVIEW编程语言，开发用于东元7200MA变频器运行频率的控制串口通讯程序。

      由于摩擦学试验机和摩擦学测试的特殊性，摩擦学试验中的变频器调速有着不同于一般工业变频控制的特点。一方面，要求变频器调速能够在较大范围内满足摩擦学测试的要求，使得试验结果具有可比性；另一方面，摩擦磨损试验过程中，对控制有一些特殊的要求，例如需要特殊的速度、运动的非周期性以及设备的快速启动和停止等。在一些疲劳试验中，甚至要求电机进行寸动或者往复运动以检测材料的性能，有的试验现场对人体的损害比较大，需要远距离进行控制和检测电机的运转情况。所以，必须利用计算机程序控制变频器实现一些特殊控制功能。这就要求计算机与变频器之间存在有效的通讯功能。

2 通讯系统总体设计

       串行通信是一种常用的数据传输方法，占用的通信线路少、成本低，在工程通信方式上占有重要地位。本文以内置RS 485通讯接口的东元7200MA变频器为研究对象，设计基于LabVIEW的控制变频器串口的通讯系统。图1所示为系统总体结构框图。

      计算机通过RS 485通信口与变频器相连，对变频器进行控制。RS 485串行总线采用平衡发送和差分接收的方式传输信号，具有传输距离远(约1 219 m)、抗干扰能力强等特点。而且总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。由于目前PC机普遍只配有RS 232串口，所以在计算机上连接一个RS 232／485转换器，然后再与变频器的串口相连。将各种动作按照通讯协议编写成命令，发送给变频器，就达到了通过PC机来控制变频器的目的。同样，PC机读取数据也必须由变频器根据RS 485通讯协议进行识别和响应才能完成。

3 软件实现方案

      目前，串口通信程序的开发在Windows操作系统下一般用VB，VC，Delphi等编写。当采用VB，VC开发程序时，操作者不得不面对非常繁琐的API函数编程；而Delphi没有自带的串口通信控件，在它的帮助文档里也没有提及串口通信，给编程人员带来许多不便。

      LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于图形化的编程语言，它内置数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试功能，包括VISA，GPIB，RS 232，DAQ等模块和基本分析库；提供强大的数据分析、处理、显示功能的同时还保证系统灵活性；LabVIEW具有开放的系统互连性及广泛的硬件支撑，具有DDL和CIN接口，可以与多种设备直接连接；流程图式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度，缩短开发周期；界面良好、易于理解，方便调试和维护，用它来实现PC机与变频器的串口通信是最为简捷的方法之一，已经具有较广大的用户群。

      设置东元7200MA系列变频器所涉及的主要参数有端口号、波特率、数据位等，具体说明如表1所示。

      本程序采用中文版LabVIEW 8.2进行通讯编程，在编写程序之前，安装的NI VISA驱动必须和LabVIEW程序版本匹配，避免编程出错。从变频器设置转数到启动再到停止有一个顺序和时间过程，因此本程序主要采用顺序结构和层叠式结构实现。具体步骤如下：

      (1)初始化串口，利用VISA Configure SerialPort.VI设置PC与变频器通信的基本参数：端口号、波特率、奇偶校验、数据位、停止位、缓冲区大小；

      (2)利用VISA Write.VI写端口，根据变频器的通讯协议把设定转数的动作参数变成命令符，然后把整个命令帧以ASCII码字符串的形式发送到串口；

      (3)利用Wait(ms).VI延时等待，主机发送命令到变频器，变频器判断命令正确后将数据返回给主机需要一定时间，故这一步需要设置延时等待。等待时间可根据变频器的响应时间确定，也可以通过LabVIEW的中的工具确定出程序运行时间来设置等待时间；

      (4)再利用VISA Write.VI写端口，把启动的动作参数写成命令帧并以字符串形式写入VISA Write.VI的缓冲区。

      以上4步即可完成变频器以一定的转数转动。写命令到串口的过程在While循环里进行，变频器启动后不需要停止，可以直接连续地设置变频器的转数来更改电机转动速度，While循环内采用延时等待处理，延时500 ms；

      同理，停止命令以一个层叠式顺序结构和上面(2)，(3)两步命令层叠进行，同样先需要设定变频器转数为零，然后延时等待，最后把停止命令以字符串形式发给串口，完成变频器的停止动作；

      最后，利用VISA Close.VI关闭串口；串口不再使用时需要关闭，使其处于空闲状态，便于下一次打开串口。整个串口通信完毕后用Exit LabVIEW.VI退出此程序。程序的主要代码框图如图2所示。

      程序的一个很大的优点在于，将变频器速度控制与变频器的启停控制整合到一起，使得程序操作简单，更加优化合理。程序中采用了调用子VI的方法，大大简化了流程图的复杂程度，提高可读性，方便查看代码和调试程序。

      由于变频器接受的数据格式为ASCII码字符串，所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换，这里子VI的作用就是将各种参数值转换成ASCII码字符串，然后写入串口。以变频器的启动为例，根据东元变频器的启动数据格式，以十六进制形式发送01100000 0001 0200 0167 90，利用反馈节点将此字符串拆分成字符串数组，再转换为数值数组，然后利用字ByteArray To String.VI模块，将字节数组转换成ASCII码字符串。变频器接受ASCII码后经过算法还原，然后去执行相应的操作。就可以启动变频器，程序代码框图如图3所示。

      程序中局部变量的使用也大大简化了程序开发的复杂程度，和Visual C++等基于文本的编程语言不同，LabVIEW中的各个对象之间是靠连线来传递数据的，但是在需要两个程序之间交换数据时，靠连线的方式是不行的；即便是在同一个程序中的对象之间交换数据，有时也会遇到麻烦。在这种情况下，就需要使用局部变量。

      串口通信操作前面板如图4所示，直接在面板上设置参数，简洁明了，易于操作。在试验过程中可以随意连续的更改转数，实现无级调速。

4 结果验证

      这里主要是检查电机的运行状态是否与设定状态吻合，变频器根据PC机发送的指令控制电机，然后又将电机的当前工作状态读取上来。读取变频器的状态指令，可利用VISA Read.VI模块，程序具体实现方法与上述写入指令相同。

      针对不同情况进行错误处理：首先在前面板中发送指令给变频器，然后去读取此时变频器运行指令，将读取上来的数据进行指令校验和的验证，做条件判断：

      (1)如果校验正确就说明数据指令执行成功；

      (2)如果很长时间都没有将变频器上的转数读上来，或者变频器根本就没有动作，出现超时错误，说明变频器通讯故障。

      (3)读取的值与设定转数值不同，那么指令发送错误，将重新发送指令。可以在前面板显示出变频器的电压状态表，方便直观地查看电机工作状态。

      通过环一块摩擦磨损试验机的试验运用证明，所开发的变频器控制软件设计合理，使用方便，响应速度快，尽管电机存在惯性作用，也能在较短的时间内达到要求的速度，能够保证当摩擦学试验参数变化时，电机仍保持很好的刚性，很好地解决了试验过程中电机速度控制问题。

      本文的创新点在于根据摩擦学试验机的具体试验要求，利用LabVIEW技术实现计算机与变频器的通信，利用串行端口来控制变频器的运行，操作简单，响应速度快，能够连续、动态地改变电机转速，为环一块摩擦磨损试验机的试验系统提供了强大的技术支持。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中，获得很好的试验效果。同时，该通信方式简单、稳定、可靠，具有很好的实时性和可移植性，可供其他串口通信系统参考。