采用LabVIEW的PC機與變頻器的串口通信

本文針對摩擦學試驗研究的特點，采用廣泛使用的LabVIEW編程語言，開發用于東元7200MA變頻器運行頻率的控制串口通訊程序。

由于摩擦學試驗機和摩擦學測試的特殊性，摩擦學試驗中的變頻器調速有著不同于一般工業變頻控制的特點。一方面，要求變頻器調速能夠在較大范圍內滿足摩擦學測試的要求，使得試驗結果具有可比性；另一方面，摩擦磨損試驗過程中，對控制有一些特殊的要求，例如需要特殊的速度、運動的非周期性以及設備的快速啟動和停止等。在一些疲勞試驗中，甚至要求電機進行寸動或者往復運動以檢測材料的性能，有的試驗現場對人體的損害比較大，需要遠距離進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，占用的通信線路少、成本低，在工程通信方式上占有重要地位。本文以內置RS 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RS 485通信口與變頻器相連，對變頻器進行控制。RS 485串行總線采用平衡發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。而且總線收發器具有高靈敏度，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RS 232／485轉換器，然后再與變頻器的串口相連。將各種動作按照通訊協議編寫成命令，發送給變頻器，就達到了通過PC機來控制變頻器的目的。同樣，PC機讀取數據也必須由變頻器根據RS 485通訊協議進行識別和響應才能完成。

3 軟件實現方案

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

LabVIEW是美國NI公司開發的一種基于圖形化的編程語言，它內置數據采集、儀器控制、過程監控和自動測試功能，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、顯示功能的同時還保證系統靈活性；LabVIEW具有開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；流程圖式的開發環境大大簡化了程序開發的復雜程度，縮短開發周期；界面良好、易于理解，方便調試和維護，用它來實現PC機與變頻器的串口通信是最為簡捷的方法之一，已經具有較廣大的用戶群。

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，具體說明如表1所示。

本程序采用中文版LabVIEW 8.2進行通訊編程，在編寫程序之前，安裝的NI VISA驅動必須和LabVIEW程序版本匹配，避免編程出錯。從變頻器設置轉數到啟動再到停止有一個順序和時間過程，因此本程序主要采用順序結構和層疊式結構實現。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、緩沖區大小；

(2)利用VISA Write.VI寫端口，根據變頻器的通訊協議把設定轉數的動作參數變成命令符，然后把整個命令幀以ASCII碼字符串的形式發送到串口；

(3)利用Wait(ms).VI延時等待，主機發送命令到變頻器，變頻器判斷命令正確后將數據返回給主機需要一定時間，故這一步需要設置延時等待。等待時間可根據變頻器的響應時間確定，也可以通過LabVIEW的中的工具確定出程序運行時間來設置等待時間；

(4)再利用VISA Write.VI寫端口，把啟動的動作參數寫成命令幀并以字符串形式寫入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。寫命令到串口的過程在While循環里進行，變頻器啟動后不需要停止，可以直接連續地設置變頻器的轉數來更改電機轉動速度，While循環內采用延時等待處理，延時500 ms；

同理，停止命令以一個層疊式順序結構和上面(2)，(3)兩步命令層疊進行，同樣先需要設定變頻器轉數為零，然后延時等待，最后把停止命令以字符串形式發給串口，完成變頻器的停止動作；

最后，利用VISA Close.VI關閉串口；串口不再使用時需要關閉，使其處于空閑狀態，便于下一次打開串口。整個串口通信完畢后用Exit LabVIEW.VI退出此程序。程序的主要代碼框圖如圖2所示。

程序的一個很大的優點在于，將變頻器速度控制與變頻器的啟停控制整合到一起，使得程序操作簡單，更加優化合理。程序中采用了調用子VI的方法，大大簡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，所以在命令寫入串口之前必須先進行數據格式的轉換，這里子VI的作用就是將各種參數值轉換成ASCII碼字符串，然后寫入串口。以變頻器的啟動為例，根據東元變頻器的啟動數據格式，以十六進制形式發送01100000 0001 0200 0167 90，利用反饋節點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碼后經過算法還原，然后去執行相應的操作。就可以啟動變頻器，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化了程序開發的復雜程度，和Visual C++等基于文本的編程語言不同，LabVIEW中的各個對象之間是靠連線來傳遞數據的，但是在需要兩個程序之間交換數據時，靠連線的方式是不行的；即便是在同一個程序中的對象之間交換數據，有時也會遇到麻煩。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，簡潔明了，易于操作。在試驗過程中可以隨意連續的更改轉數，實現無級調速。

4 結果驗證

這里主要是檢查電機的運行狀態是否與設定狀態吻合，變頻器根據PC機發送的指令控制電機，然后又將電機的當前工作狀態讀取上來。讀取變頻器的狀態指令，可利用VISA Read.VI模塊，程序具體實現方法與上述寫入指令相同。

針對不同情況進行錯誤處理：首先在前面板中發送指令給變頻器，然后去讀取此時變頻器運行指令，將讀取上來的數據進行指令校驗和的驗證，做條件判斷：

(1)如果校驗正確就說明數據指令執行成功；

(2)如果很長時間都沒有將變頻器上的轉數讀上來，或者變頻器根本就沒有動作，出現超時錯誤，說明變頻器通訊故障。

(3)讀取的值與設定轉數值不同，那么指令發送錯誤，將重新發送指令。可以在前面板顯示出變頻器的電壓狀態表，方便直觀地查看電機工作狀態。

通過環一塊摩擦磨損試驗機的試驗運用證明，所開發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，也能在較短的時間內達到要求的速度，能夠保證當摩擦學試驗參數變化時，電機仍保持很好的剛性，很好地解決了試驗過程中電機速度控制問題。

本文的創新點在于根據摩擦學試驗機的具體試驗要求，利用LabVIEW技術實現計算機與變頻器的通信，利用串行端口來控制變頻器的運行，操作簡單，響應速度快，能夠連續、動態地改變電機轉速，為環一塊摩擦磨損試驗機的試驗系統提供了強大的技術支持。該設計方法已應用在筆者實驗室的實際工作中，獲得很好的試驗效果。同時，該通信方式簡單、穩定、可靠，具有很好的實時性和可移植性，可供其他串口通信系統參考。