基于LabVIEW串行通信的变频调速监控系统

张有清，杨文焕，王世杰，葛 敏，严兰舟

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)由于其高效实时的处理能力，在变频调速控制领域内得到了广泛应用。在变频调速系统中，常采用PC机和DSP主从式结构，这样可充分发挥DSP数值处理能力和PC机的友好界面。上位机采用LabVIEW软件开发平台[1-2]，能为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，可以将繁琐复杂的语言编程简化为以菜单提示方式表示的选择功能，并用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。与传统的编程语言相比，LabVIEW图形编程[3]方式能够节省85%以上的程序开发时间，但其运行速度几乎不受影响，体现出了极高的效率。

在变频调速系统中，一般通过PCI数据采集卡采集电压、电流及转速量，而本文将DSP程序中的电压、电流及转速数字量通过串行通信接口传递给上位机。通过LabVIEW编程可以在前面板将电压、电流及转速量实时显示出来，通过波形分析变频调速系统的性能并根据实际需要，以二进制形式保存接收到的数据，此外还可以进行谐波含量分析。与通过PCI采集卡采集电压、电流及转速量相比，其优势在于节约了一块PCI采集卡，且显示的是在DSP中实际参与运算的量。同时，上位机将指令通过串行通信接口传递给下位机DSP，这样就可以灵活地进行交流变频调速。

1 串行口通信的系统结构

1.1 串行口通信的几种方式

RS－232目前仍然是广泛使用的实现计算机之间、计算机与设备之间相互通信的方法之一，几乎每台工控机都有两个RS－232串行接口。RS－232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。因此，其传输距离与传输速率相矛盾，再加上双绞线上的分布电容，在不考虑传输速率的情况下其最大传送距离约为50 m[4]，在不考虑传输距离的情况下其最高速率为128 kb/s。在变频交流调速系统中，逆变器开关元器件的开关频率一般为10 kHz。因此，即使在不考虑传输距离的情况下，RS－232仍不能传输一个16位的电压或电流数据。

RS－485串行接口克服了RS－232传输距离近，传输速率慢等缺点，其最高传输速率可达到10 Mbps[5]，传输距离可以达到 120 m。为了实现将DSP的电压电流数据传输到工控机，可以采用RS－485串口进行通信，它在距离和速率上完全能满足要求，但是RS－485串行接口的程序比较复杂，而变频调速系统对距离没有较大的要求，因此需找到一种程序简单、传输速率快的串行接口。USB 2.0转RS－232串口在工控机上能产生一个虚拟串口，波特率为300～921 600 bps，既能满足数据传输要求，程序又简单。

1.2 硬件电路

在实现SCI的硬件连接中主要考虑SCIRXD、SCITXD两根线。由于外部输入RS－232电平，因此设计中应当注意电平等一些特性的转换。RS－232串行通信中常用的电平转换芯片为MAX232系列，其电平响应时间为μs级，而直接采用RS－232串口通信的波特率不超过120 kbps，因此能满足其通信要求。但本文介绍的系统采用的是USB 2.0转RS－232串口，其波特率能达到921 600 bps。因此，MAX232系列电平转换芯片不能满足该系统的要求。针对该系统的特点，采用MAX3160电平转换芯片，它能将RS－232电平转换为TTL电平。当其引脚10接地时，其允许的波特率为250 kbps，而当其引脚10接高电平时，其允许的波特率为1 Mbps，正好符合该试验系统要求。整个系统的硬件电路如图1所示。

图1 整个系统的硬件电路图

2 系统软件实现

2.1 DSP软件实现

TMS320F2812内部具有两个相同的SCI模块，SCIA和SCIB，每一个SCI模块都各有一个接收器和发送器。SCI的接收器和发送器各具有一个16级深度的FIFO队列，它们还都有自己独立的使能位和中断位，可以在半双工通信中进行独立的操作，或者在全双工通信中同时进行操作。在SCI通信发送的过程中，有两种发送的方式供选择，一种是利用SCI模块的普通功能(即查询等待标志位的方式进行)，另一种是利用F2812的增强特性FIFO功能进行数据的传送。对于第一种查询等待的方式，其中的设置是要等待一个字节完全发送出去才能够进行其他模块的工作，因此，非常耗用时间和DSP的资源利用率。该系统要在一个10 kHz开关周期内分别传送两个16位电压和电流数据及一个8位转速数据，则采用第一种方式等待的时间为80 μs(波特率设置为1 Mbps)，而其他程序的运行时间只有 20 μs，因此不能满足该系统的要求。利用F2812的增强特性FIFO功能进行数据的传送不占用系统的周期等待时间，直接往SCITXBUF里面写数据就会自动往外发送。

由于价格因素，该系统采用的是定点DSP，其不能直接处理小数，在进行浮点运算时会很慢。这对交流变频调速这种对时序要求很高的系统，即使使用汇编也达不到要求(尤其是乘法)，因此TI公司推出了IQ格式算法。在编写程序时，为了提高控制系统的精度，应根据数值大小选择不同的IQ格式。但是在向上位机发送数据时，上位机主要起检测和保存数据的作用，因此对精度要求没有DSP控制程序那么高。交流调速系统采用二极管整流，直流侧电压约为530 V，电机交流侧电压幅值不超过400 V。在向上位机传输数据时，为了符合传输速率要求只传输16位，必须进行IQ格式转换，使得数据的高16位可以省略。对于电压数据，可以转换成IQ6格式，精度可以达到0.02，符合测控要求。对于电流数据，为观测到过电流情况(交流电机的额定电流为22.3 A)，可以采用IQ8格式，其精度可以达到0.004，对于16位数据，IQ8的表示范围为－128～127。由于转速不能突变，可以先求平均值再传输给上位机，该系统在四个开关周期内求一次平均值，然后每个周期内依次发送8位。上位机向DSP发送指令时，由于发送的都是整形变量，因此采用I16格式，DSP程序采用中断接收。

2.2 PC机LabVIEW软件电路的实现

考虑到软件的实用性和开放性，采用VISA接口模块进行编程[6]，串口通信中使用VISA库中的函数主要有VISA配置串口、VISA写、VISA读、VISA关闭、VISA清空I/O缓冲区等，整个系统程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

VISA配置串口函数的配置(奇偶校验、数据位、波特率、停止位)必须与DSP保持一致。由于PC机向DSP发送的数据为指令，而数据保存是有选择性的，因此由事件结构来完成，效率会提高很多。该系统主要接收DSP传来的电压、电流和转速数据，通过数据处理还原到实际值并在波形图表上显示出来，通过观测其波形，分析变频调速系统的性能。电压、电流、转速数据接收、处理显示流程框图如图3所示。

图3 电压、电流、转速数据接收、处理显示流程图

LabVIEW总程序如图4所示。图4中，数据处理显示模块为一子VI模块，其程序如图5所示，图5的两个输入对应于子VI模块的输入。

图4 电压、电流、转速数据接收、处理、显示总程序

图5 电压、电流、转速数据处理及显示程序

3 通信试验

该试验通过DSP编程向PC机发送脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)波，DSP 程序采用下溢中断，中断频率为10 kHz。DSP在中断周期内交替输出1.11和0，为了提高传输精度，采用IQ8格式，波特率设置为230 400 bps。上位机显示的波形如图6所示。

图6 接收到的PWM波

由图6可以看出，采用IQ8格式传输后，数据的精度达到了0.001。因此，电压、电流采用的IQ格式也可以达到系统精度的要求。系统的波特率设置为230 400 bps，远大于120 kbps，因此采用USB 2.0转RS－232串口能较大程度地提高波特率输出范围。

4 结语

与采用PCI采集卡采集电压、电流及转速信号相比，本文提出的方案多用了一个USB 2.0转RS－232串口而节约了两块PCI采集卡。由DSP传输的电流为实际参与控制运算的数字量，上位机通过傅里叶变换得出电流各次谐波含量，并由此可分析数字滤波电路的性能。上位机采用LabVIEW编程，该软件具有界面友好、操作简单、功能强大、响应迅速等优点。该系统也存在一些缺点，USB 2.0转RS－232串口的波特率最大仅为1 Mbps，传输距离有限制，若系统对串行通信波特率有更高的要求或对传输距离有一定的要求，可采用RS－485串口进行数据传输。

[1]Russ Turley，Matthew Wright.Developing engine test software in LabVIEW[J].IEEE Document Analysis and Recognition，1997(1):256-259.

[2]Ronald L DeiclKrt，Daniel P Burds.Development of a high speed data acquisition system based on LabVIEW and VXL[J].IEEE Document Analysis and Recognition，1997(1):143-145.

[3]Umair H Siddiqui B S，M S Student.Universal remote alarm system by using visual instrumentation and Labview graphical programming[J].IEEE Transactions on Circuits and System，2004(1):846-850.

[4]王国营，郜丽鹏，杨翠娥.DSP与PC机串行通信的研究[J].应用科技，2003(9):9-10.

[5]郭伟伟，马捷中，翟正军，等.DSP与PC机之间的数据通信研究[J].微处理机，2008(29):155-160.

[6]习升鸿，戴瑜兴，李展翅.基于LabVIEW的远程监控系统设计与实现[J].低压电器，2007(7):18-20.