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首先介紹了LabVIEW的環境及VISA串口通信函數的功能；其次引入了本文的采集對象JCZ型智能轉矩轉速傳感器，并對其性能、物理結構及串行通信特點進行了說明，利用LabVIEW的開發平臺編寫通信源程序，實時采集轉矩和轉速，并計算功率值，最后把轉矩、轉速和功率數據以動態曲線的方式在同一張圖表中顯示出來。經過實驗驗證，該程序操作方便，采集數據準確，運行安全可靠，動態曲線顯示直觀，可真正在生產實際中使用。 LabVIEW是當今最流行的圖形化編程環境，由于其采用圖形化的編程方式，因此也被稱作G語言（graphical language）。LabVIEW是目前國際上唯一的基于數據流的編譯型開發軟件，與基于文本的編程語言不同，LabVIEW的程序由圖形語言構成，用簡單或圖標提示的方法選擇功能（圖形），并用線條把各種功能（圖形）連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己的程序，“畫”出儀器面板，從而大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術人員的工作量。由于LabVIEW軟件簡潔直觀，功能強大靈活，目前廣泛應用于自動化測量系統、工業過程自動化、實驗室仿真等各個領域。 在LabVIEW中編制的程序叫做虛擬儀器程序，簡稱VI。一個VI包括前面板和框圖程序。前面板類似實際儀表面板，可以放置諸如旋鈕、按鈕和文本框等控制和顯示元件。框圖程序是實現程序功能的核心部分，包括以圖標為代表的常數、函數和VI程序等，并通過連線引導數據流，編寫和調試程序都很直觀方便。 一 ： LabVIEW串口通信介紹 儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術之一。在安裝了適當的硬件驅動程序之后，LabVIEW能輕松實現與任何NI提供的硬件設備通信。不僅如此，通過通用的驅動程序（DAQmx）或接口，例如VISA、IVI、OPC、ActiveX、DLL等，LabVIEW幾乎能與任何廠商甚至自制的硬件通信。 LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信。VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口（API），它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨立的可方便調用的標準I/O底層函數。無論對于GPIB、串口還是其他接口，用戶只要調用這些標準函數，則VISA就會根據實際接口類型自動調取相應的接口驅動程序例程，方便實現上層應用程序與接口總線儀器的通信。在LabVIEW里使用VISA，必須安裝NI-VISA程序包，安裝后，與串口通信相關的VISA函數位于Functions->ALL Functions->Instrument I/O->Serial子模板上，如圖1所示。 此主題相關圖片如下： 圖1 VISA串口通信函數 此模板共有8個操作函數，其中，第一行的4個函數在串口通信中經常應用。下面簡單介紹這4個常用的VISA串口函數。 1 VISA配置串口 設定波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、流控制、超時處理、終止符和終止符使能等參數，將VISA資源名稱指定的串口按特定設置初始化。 注意：超時(TIMEOUT)和終止符兩個參數。TIMEOUT默認10秒；終止符是0Ｘ0A()，默認是使能狀態。另外，回車0X0D()也經常作為終止符。采用二進制通信，就要特別注意終止符的情況。因為０Ａ對應的十進制是10，0Ｄ是１３，當傳輸的二進制對應的十進制剛好為10或13時，如果不禁止終止符，會導致“VISA讀取”提前結束，產生錯誤的結果。因此，經常要把“啟動終止符”的布爾輸入設置為“F”。 2 VISA寫入 將“寫入緩沖區”的數據寫入VISA資源名稱指定的串口。 注意：MSCOMM串口通信可以選擇文本或二進制方式接收或發送數據，但是，VISA通信接收或發送數據都是字符串（ASCII）。若接收或發送的字符串是“1、2、3、4”，在內存中存儲的是ASCII，因為“1”＝31（十六進制）、“2”＝32（十六進制）、“3”＝33（十六進制）和“4”＝34（十六進制），所以串口緩存接收/發送的數據實際是16進制的31、32、33、34。 3 VISA讀取從VISA資源名稱所指定的串口中讀取指定字節的數據，并將數據返回至讀取緩沖區。有時不知道串口緩存區有多少字節的數據，以防字節總數設置錯誤，這時字節總數可以用屬性節點獲取，即把屬性節點輸出端子接入“VISA讀取”節點的輸入端子“字節總數”。 4 VISA關閉關閉VISA資源名稱指定的串口會話句柄或事件對象。 二：串口通信編程實踐 JCZ型智能轉矩轉速傳感器是湖南湘儀動力測試儀器有限公司利用美國ECHELON公司的LonWorks技術在原JC型轉矩轉速傳感器基礎上設計制造的新一代產品，它的外形結構如圖2所示。JCZ型智能轉矩轉速傳感器具有高精度、高可靠性的優點，同時，它還具有自動零點補償，自動隨環境溫度修正傳感器系數等智能化特性，在轉速很低時也能精確測量轉速。當使用LonWorks網絡傳輸時，通訊距離可達到2公里，還可以很方便地與計算機及其它智能傳感器或智能節點組成測控網絡系統。目前，JCZ型智能轉矩轉速傳感器在電機、風機、機車、汽車、礦山機械等許多生產部門中廣泛應用。 此主題相關圖片如下： 圖2 JCZ型智能轉矩轉速傳感器外形結構圖 JCZ型轉矩轉速傳感器的基本原理是：通過彈性軸、兩組磁電信號發生器，把被測轉矩、轉速轉換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉矩成正比。因此，通過分析這兩組交流電的頻率和相差信號就可以實現轉矩和轉速的測量。電信號處理部分是以ECHELON公司的3150神經元芯片為核心組成，把電信號處理成可利用雙絞線等傳輸介質進行網絡傳輸的網絡變量，或者處理成直接可與計算機RS-232串口通信的信號。本文JCZ型轉矩轉速傳感器使用異步串行通信接口，其數據格式為1個起始位，8位數據，無校驗位，1個停止位，波特率為4800bps。因此，設置完串口通信參數后，通過專門配置的信號線，此傳感器的輸出信號就可以送到計算機中。 JCZ型轉矩轉速傳感器發送16進制顯示的字符串來表示各種指令代碼及數據，每次發送的數據包共計21字節，起始段為字符A，占1字節；接下分別為轉矩和轉速，每個數據占10字節，具體如下表所示：
假如串口接收的一個數據包為41 34 31 2E 31 38 37 31 30 30 30 32 36 2E 32 33 36 30 30 30 30等21字節十六進制數。其中，頭字節41，剛好是字符A的十六進制表示；接下從34 31～30這10字節，為字符顯示的字符串41.235的十六進制表示，而41.235即為實際轉矩數據；從32、36～30這最后10個字節轉換為字符顯示的字符串后可得到實際的轉速值。因此，要注意把串口接收的數據包先進行字節分離，再分別轉換為字符顯示的字符串，所得到值才是實際的物理量。 通過分析JCZ型轉矩轉速傳感器的串行通信特點，結合VISA串口函數的功能，特設計圖3所示的程序代碼流程圖。 此主題相關圖片如下： 圖3 串口通信程序流程代碼 圖4為本串口通信程序的前面板�！皠討B參數曲線顯示”圖表為Chart控件，其波形顯示模式模擬波形記錄儀、心電圖等的工作方式。轉矩、轉速、功率實時曲線在圖表上動態顯示，圖表的最右邊顯示最新采集的數據，而歷史數據則連續不停地往左邊移動。圖表的正上方是三個數據輸出文本框，分別顯示當前采集的轉矩、轉速和功率物理量。當參數測試完畢后，點擊“退出程序”控件程序退出。 此主題相關圖片如下： 圖4 串口通信程序的前面板 圖5為此程序的框圖程序，程序采用流行的主/從結構（Master/Slave）設計模式。JCZ型智能轉矩轉速傳感器在上電的情況下，默認地不斷往計算機串口發送21字節的16進制格式數據。為了完成串口的初始化、讀，分別用到串口初始化函數（VISA Configure Serial Port）和串口讀函數（VISA Read）。另外，由于得到的數據為16進制數，利用“電子表格字符串至數組轉換”函數，使之換算成一維標量數組，得到實際的轉矩、轉速物理量的數組表示，再由轉矩和轉速計算出相應的功率值（注：功率＝扭矩X轉速XK，本文k＝1/9.55，所求功率的單位是瓦特W），之后轉矩、轉速和功率數組合并并通過自動索引隧道進入for循環中，由“創建波形”節點創建波形數據，最后，波形數據流入Chart圖表中動態顯示。 此主題相關圖片如下： 圖5 框圖程序 三 結論 利用LabVIEW的VISA函數開發串口通信程序，簡單方便。本程序人機界面設計合理，操作方便，波形曲線顯示直觀。經過實驗驗證，此程序數據采集可靠、運行效率高，可作為獲取和分析轉矩和轉速很好的測量工具。當然程序還有很多擴展的余地，比如數據存盤，實現遠程監控，筆者希望以后繼續完善。 |
