基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

李海春，蔡 燕，姜文濤

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室，天津 300387)

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺，是一種用圖標(biāo)代碼來代替文本式編程語言的開發(fā)工具。其通過在表示不同功能節(jié)點的圖標(biāo)之間連線來完成上位機的程序，在這一點上，其完全不同于以往基于文本的傳統(tǒng)開發(fā)語言。LabVIEW功能強大、操作靈活，使用圖形化的編程語言，大幅節(jié)省了程序的開發(fā)周期，且其運行速度不受影響，體現(xiàn)出較高的效率，被廣泛應(yīng)用于自動測量系統(tǒng)、工業(yè)過程自動化、實驗室仿真等領(lǐng)域［1－2］。

以往利用LabVIEW設(shè)計數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)時，通常采用數(shù)據(jù)采集卡進行前端信號的采集，但是其價格昂貴。文中設(shè)計了一種基于LabVIEW和STC12系列單片機的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，不僅節(jié)約了設(shè)計成本，且系統(tǒng)操作簡便，穩(wěn)定可靠，滿足電機的測速要求。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

系統(tǒng)由上位機和下位機組成。下位機采用STC12C5410AD單片機作為主控芯片，絕對式光電編碼器的脈沖輸出信號通過信號調(diào)理電路后送至單片機，單片機通過自帶的脈沖捕獲模塊，接受連續(xù)的編碼器脈沖信號并計算電機轉(zhuǎn)速;上下位機采用RS－232串行接口進行通信，將轉(zhuǎn)速計算值傳送到上位機LabVIEW，通過LabVIEW對轉(zhuǎn)速值進行實時處理、顯示和保存。基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 電機的測速原理

2.1 絕對式光電編碼器簡介

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

圖2 絕對式光電編碼器實物圖

2.2 轉(zhuǎn)速計算方法

設(shè)計采用T法測速，即利用計數(shù)器對已知頻率為的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，測出電機相鄰兩個轉(zhuǎn)子位置脈沖信號的時間間隔來計算電機的轉(zhuǎn)速。在T法測速中，測速時間T是通過記錄高頻時鐘脈沖個數(shù)m得出，即

電機轉(zhuǎn)動一周轉(zhuǎn)子位置信號含有的脈沖個數(shù)為PN，設(shè)計采用編碼器的最低位進行計算，因此PN為1 024，則轉(zhuǎn)速計算公式為［4－5］

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

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

3.1 STC12C5410AD單片機簡介

STC12C5410AD單片機是一款單時鐘/機器周期的微控制器，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，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的程序存儲器Flash、512 Byte的 SRAM，有1個可編程的異步串行UART接口，1個可工作于主從模式的SPI串行接口，共2路16位的定時器/計數(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100 kHz，集成了4路可編程計數(shù)器陣列(Programmable Counter Array，PAC)，簡稱PCA，可用于軟件定時器、外部脈沖的捕獲、高速輸出及脈寬調(diào)制輸出。

3.2 編碼器脈沖信號調(diào)理電路

信號調(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，同時對編碼器信號和單片機電路進行隔離，起到一定的保護作用。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，因此完全滿足實驗要求;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變換為邊沿較陡的矩形脈沖信號［6］;RC濾波電路主要用于消除矩形脈沖上的高頻干擾信號。

3.3 串行接口通信電路

系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機作為下位機，PC機作為上位機，二者通過RS－232串口進行通信。單片機輸出的TTL電平與PC機串口的RS－232電平不一致，因此需采用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換［7］，Tin和Rout輸入的是TTL電平，經(jīng)過轉(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)計包括下位機單片機的軟件設(shè)計和上位機LabVIEW的軟件設(shè)計。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 單片機的軟件設(shè)計

下位機程序采用C語言編寫，主要完成脈沖信號捕獲、轉(zhuǎn)速計算和上下位機串口通信。程序中首先進行系統(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定時器工作在方式2，用定時器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，無奇偶校驗位。STC12C5410AD單片機有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時鐘源為系統(tǒng)時鐘的2分頻;PCA控制寄存器CCON賦值0x00，關(guān)閉PCA計數(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，用來產(chǎn)生中斷;PCA0的16位計數(shù)器CH0和CL0分別賦值0x00，用于存儲時鐘脈沖計數(shù)值。當(dāng)單片機檢測到脈沖信號上升沿時，進入PCA0捕獲中斷，得到PCA0時鐘脈沖的計數(shù)值，并判斷計數(shù)值m是否溢出，再利用式(2)進行電機轉(zhuǎn)速的計算，最后調(diào)用串口發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)傳送到上位機。單片機軟件流程圖如圖4所示。

圖4 單片機軟件流程圖

4.2 上位機LabVIEW程序設(shè)計

上位機的操作界面采用LabVIEW進行可視化編程，主要完成上位機和下位機的通信、電機轉(zhuǎn)速波形的顯示和數(shù)據(jù)保存。設(shè)計使用LabVIEW8.6版本，其豐富的函數(shù)庫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、奇偶校驗位和停止位，上位機的串口配置應(yīng)與單片機的串口初始化相同，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)到計算機內(nèi)存中，這里讀取的Byte個數(shù)為4;最后用VISA關(guān)閉(VISA Close)函數(shù)關(guān)閉串口資源。

電機轉(zhuǎn)速波形的顯示是通過波形圖表控件來繪制的，波形圖表控件能夠?qū)崟r顯示若干個數(shù)據(jù)點，而且新輸入的數(shù)據(jù)點添加到已有曲線的尾部進行連續(xù)顯示，因此可直觀地反映被測量的變化趨勢。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形式進行保存，同時可方便地設(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 實驗結(jié)果

設(shè)計方案在開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中進行了測試，實驗中電機的調(diào)速范圍為0～1 500 r/min，對電機的快速啟動、運行穩(wěn)定性以及快速制動進行了實時監(jiān)測。圖6為電機帶載20 N·m，穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速為1 250 r/min時的轉(zhuǎn)速波形圖，測試結(jié)果證明，系統(tǒng)簡潔直觀、動態(tài)實時響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件和軟件分別進行了論述，并在0～1 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中進行了實驗，實驗結(jié)果驗證了設(shè)計方案的可行性。同時，還具備了用LabVIEW編寫上位機界面，使得系統(tǒng)具有界面友好、操作簡單、調(diào)試方便、可擴展性和可移植性強等優(yōu)點。

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

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

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

［4］鄧建，林樺.基于DSP的絕對式光電編碼器的電機轉(zhuǎn)速測量［J］.電機與控制應(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控制電路設(shè)計［J］.電氣傳動自動化，2007，29(1):52 －56.

［6］馬有良，任同.光電編碼器脈沖檢測電路的設(shè)計［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.基于單片機的光電編碼器位置檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2011，19(1):17－19.

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