李海春，蔡 燕，姜文濤

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)，是一種用圖標(biāo)代碼來(lái)代替文本式編程語(yǔ)言的開發(fā)工具。其通過(guò)在表示不同功能節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)之間連線來(lái)完成上位機(jī)的程序，在這一點(diǎn)上，其完全不同于以往基于文本的傳統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言。LabVIEW功能強(qiáng)大、操作靈活，使用圖形化的編程語(yǔ)言，大幅節(jié)省了程序的開發(fā)周期，且其運(yùn)行速度不受影響，體現(xiàn)出較高的效率，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室仿真等領(lǐng)域［1－2］。

以往利用LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，通常采用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行前端信號(hào)的采集，但是其價(jià)格昂貴。文中設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和STC12系列單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，且系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠，滿足電機(jī)的測(cè)速要求。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。下位機(jī)采用STC12C5410AD單片機(jī)作為主控芯片，絕對(duì)式光電編碼器的脈沖輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送至單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)自帶的脈沖捕獲模塊，接受連續(xù)的編碼器脈沖信號(hào)并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速;上下位機(jī)采用RS－232串行接口進(jìn)行通信，將轉(zhuǎn)速計(jì)算值傳送到上位機(jī)LabVIEW，通過(guò)LabVIEW對(duì)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、顯示和保存?；贚abVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 電機(jī)的測(cè)速原理

2.1 絕對(duì)式光電編碼器簡(jiǎn)介

系統(tǒng)采用A－JXW－12A－11－G8－30C 絕對(duì)式光電編碼器，該編碼器為11位絕對(duì)式軸角編碼器，具有零點(diǎn)固定、單值函數(shù)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上采用防塵、防潮措施、耐沖擊、耐振動(dòng)、體積小、重量輕。能夠測(cè)量角位移，旋轉(zhuǎn)速度等，并能將所測(cè)結(jié)果以自然二進(jìn)制碼形式輸出［3］。供電電壓12 V，集電極開路輸出，圖2為 AJXW－12A－11－G8－30C絕對(duì)式光電編碼器實(shí)物圖。

圖2 絕對(duì)式光電編碼器實(shí)物圖

2.2 轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

設(shè)計(jì)采用T法測(cè)速，即利用計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)出電機(jī)相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在T法測(cè)速中，測(cè)速時(shí)間T是通過(guò)記錄高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m得出，即

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周轉(zhuǎn)子位置信號(hào)含有的脈沖個(gè)數(shù)為PN，設(shè)計(jì)采用編碼器的最低位進(jìn)行計(jì)算，因此PN為1 024，則轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為［4－5］

高頻時(shí)鐘脈沖為單片機(jī)的晶振頻率2分頻所得，即22.118 4/2 MHz，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，理論上高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值m為1 296，若記錄值m為1 295或1 297，T法計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為500.4 r/min或499.6 r/min，計(jì)算誤差為 －0.08%≤Δe≤0.08%;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，理論上高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值m為432，若記錄值m為431或433，T法計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1 503.5 r/min或1 496.5 r/min，計(jì)算誤差為－0.23%≤Δe≤0.23%。本方法完全滿足所試驗(yàn)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的誤差范圍，且測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 STC12C5410AD單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC12C5410AD單片機(jī)是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期的微控制器，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。其片上集成了10 kB的程序存儲(chǔ)器Flash、512 Byte的 SRAM，有1個(gè)可編程的異步串行UART接口，1個(gè)可工作于主從模式的SPI串行接口，共2路16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2路外部中斷，8路10位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)100 kHz，集成了4路可編程計(jì)數(shù)器陣列(Programmable Counter Array，PAC)，簡(jiǎn)稱PCA，可用于軟件定時(shí)器、外部脈沖的捕獲、高速輸出及脈寬調(diào)制輸出。

3.2 編碼器脈沖信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要包括:光電隔離電路、施密特整形電路和RC濾波電路。光電隔離采用快速光耦A(yù)2630芯片，完成電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)編碼器信號(hào)和單片機(jī)電路進(jìn)行隔離，起到一定的保護(hù)作用。最大輸入頻率為1 MHz，而編碼器的最低位輸出脈沖頻率為26 kHz，因此完全滿足實(shí)驗(yàn)要求;施密特整形電路采用六反相施密特觸發(fā)器74HC14，可將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換為邊沿較陡的矩形脈沖信號(hào)［6］;RC濾波電路主要用于消除矩形脈沖上的高頻干擾信號(hào)。

3.3 串行接口通信電路

系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機(jī)作為下位機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，二者通過(guò)RS－232串口進(jìn)行通信。單片機(jī)輸出的TTL電平與PC機(jī)串口的RS－232電平不一致，因此需采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換［7］，Tin和Rout輸入的是TTL電平，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后Tout和Rin輸出為RS－232電平。

系統(tǒng)硬件總體電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件總體電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫，主要完成脈沖信號(hào)捕獲、轉(zhuǎn)速計(jì)算和上下位機(jī)串口通信。程序中首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括串口初始化和PCA初始化。在串口初始化中，給寄存器TMOD賦值0x20，將設(shè)定T1定時(shí)器工作在方式2，用定時(shí)器T1產(chǎn)生波特率，將波特率設(shè)置為115 200;給寄存器SCON賦值0x50使串口工作在方式1下，為10位數(shù)據(jù)的異步通訊，1起始位，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。STC12C5410AD單片機(jī)有4路 PCA模塊，這里用到PCA模塊0，在PCA初始化中，PCA模式寄存器CMOD賦值0x02，選擇PCA時(shí)鐘源為系統(tǒng)時(shí)鐘的2分頻;PCA控制寄存器CCON賦值0x00，關(guān)閉PCA計(jì)數(shù)器并清除中斷標(biāo)志位;PCA模塊0模式寄存器CCAPM0賦值0x21，設(shè)置PCA0脈沖上升沿捕獲，并使得寄存器CCON的捕獲標(biāo)志CCF0，用來(lái)產(chǎn)生中斷;PCA0的16位計(jì)數(shù)器CH0和CL0分別賦值0x00，用于存儲(chǔ)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到脈沖信號(hào)上升沿時(shí)，進(jìn)入PCA0捕獲中斷，得到PCA0時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值，并判斷計(jì)數(shù)值m是否溢出，再利用式(2)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，最后調(diào)用串口發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。單片機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)軟件流程圖

4.2 上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的操作界面采用LabVIEW進(jìn)行可視化編程，主要完成上位機(jī)和下位機(jī)的通信、電機(jī)轉(zhuǎn)速波形的顯示和數(shù)據(jù)保存。設(shè)計(jì)使用LabVIEW8.6版本，其豐富的函數(shù)庫(kù)中提供了串口通信函數(shù)，使程序的編寫方便快捷。首先通過(guò)VISA配置串口(VISA Configure Serial Port)函數(shù)配置串口參數(shù)，包括VISA資源名稱、串口波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位，上位機(jī)的串口配置應(yīng)與單片機(jī)的串口初始化相同，這才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸;VISA讀取(VISA Read)函數(shù)將讀取指定字節(jié)的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，這里讀取的Byte個(gè)數(shù)為4;最后用VISA關(guān)閉(VISA Close)函數(shù)關(guān)閉串口資源。

電機(jī)轉(zhuǎn)速波形的顯示是通過(guò)波形圖表控件來(lái)繪制的，波形圖表控件能夠?qū)崟r(shí)顯示若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而且新輸入的數(shù)據(jù)點(diǎn)添加到已有曲線的尾部進(jìn)行連續(xù)顯示，因此可直觀地反映被測(cè)量的變化趨勢(shì)。LabVIEW從串口接收到的數(shù)據(jù)形式為字符串，所以在波形數(shù)據(jù)顯示之前需利用十進(jìn)制字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換(Decimal Strings to Number)函數(shù)將字符串中的數(shù)字字符轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制整數(shù)。數(shù)據(jù)的保存用寫入文本文件(Write to Text File)函數(shù)，將采集數(shù)據(jù)以txt形式進(jìn)行保存，同時(shí)可方便地設(shè)置保存路徑和文件名稱［8－9］。LabVIEW程序框圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序框圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)方案在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的調(diào)速范圍為0～1 500 r/min，對(duì)電機(jī)的快速啟動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定性以及快速制動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖6為電機(jī)帶載20 N·m，穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1 250 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖，測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔直觀、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件分別進(jìn)行了論述，并在0～1 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)，還具備了用LabVIEW編寫上位機(jī)界面，使得系統(tǒng)具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、可擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

［1］顧亞雄，朱翠英，許方華.基于LabVIEW的單片機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(10):46－48.

［2］毛建東.基于LabVIEW的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2006，22(3 －2)，41 －42.

［3］長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司.JXW系列絕對(duì)式光電編碼器通用說(shuō)明書［EB/OL］.(2009－03－05)［2012－05－16］http://encoders.com.cn.

［4］鄧建，林樺.基于DSP的絕對(duì)式光電編碼器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(1):50 －52.

［5］趙建周，李安伏.基于光電碼盤傳感器的位置檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007，29(1):52 －56.

［6］馬有良，任同.光電編碼器脈沖檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(10):76－77.

［7］代杰，樊瑜瑾，張學(xué)麗，等.基于單片機(jī)的光電編碼器位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(1):17－19.

［8］李江全，劉恩博，胡蓉，等.LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.