基于Modbus協議和MATLAB GUI的二自由度云臺運動狀態參數監控

肖倩，崔思柱，劉豐豪，楊愷迪，程石

（長安大學工程機械學院，西安710061）

0 引言

二自由度云臺是一種可遠程控制攝像頭水平旋轉和俯仰角度調節的電動設備，廣泛應用于安防、工業、軍事、無人機航拍等領域。云臺的穩定運行是保證其所搭載相機正常拍攝的基礎。因此，一個穩定可靠的實時監控系統就顯得尤為重要，它不僅能保證設備溫度、電壓、電流在安全范圍內，更能提高云臺的精確控制能力。如果監測到云臺運行異常，可以有針對性地及時處理，避免造成不必要的損失。

本文提出了一種基于MATLAB GUI的云臺運動狀態監控系統[1]的設計方案，該監控系統通過Modbus協議將采集到的云臺運動狀態參數上傳至上位機實時顯示并通過界面進行控制，保證了云臺轉速控制的快速性、穩定性，解決了云臺控制參數難以精確測量和控制的問題，具有實際的工程意義。

1 監控系統總體設計方案

云臺參數監控系統整體結構如圖1所示。系統功能主要由兩部分實現：一部分是下位機對溫度、電流、電壓、轉速、位置等信息的采集和控制；另一部分是利用MATLAB GUI實現對監控參數的控制操作、圖形顯示和數據處理功能。

圖1 云臺監控系統整體結構圖

1.1 系統下位機

系統的下位機部分負責監控數據的采集工作，將位置、轉速、電流、電壓和溫度等待監控模擬量信息采集并送入DSP的ADC模塊，將待監控數據處理后，通過串行通信實時地將數據傳送回上位機進行處理。驅控一體云臺控制器采用TMS320F28069 DSP作為主控芯片，片內集成12位分辨率的16通道ADC轉換通道，非常適用于多模擬量采集系統。

下位機程序在CCS（Code Composer Studio）6.0集成開發環境下進行開發，通過對各功能函數的編寫，然后進行編譯、調試、生成.out文件，并下載到DSP中。

1.2 系統上位機

系統的上位機是基于MATLAB GUI界面的集M控制算法文件和Modbus通訊協議模塊為一體的實時參數監控系統，主要負責對監控數據進行處理和分析。通過調用MATLAB內置的serial函數，操作RS-232串口，并通過Modbus協議在云臺控制器與PC串口之間進行實時通信，主要包括以下幾個模塊：

（1）串口通信。與下位機之間實現數據交換。

（2）GUI界面。界面設計以及對監控參數進行顯示并繪制動態曲線和動態模擬。

（3）監控主程序和濾波算法。主要負責在回調函數中編寫控制云臺電機啟停、轉動角度及發送串口數據等功能的程序編寫，并通過濾波算法來消除偶然脈沖對監控到數據的影響。

2 串行通信實現

2.1 MATLAB串口通信

MATLAB配置了串口通信API[2]，提供了對串口進行打開、關閉，以及串口參數設置等操作的一系列函數。利用這些函數可以選擇串口號、設置串口通信參數（波特率、數據位、停止位、校驗位等）、進行中斷控制、流控制。在配置控制器時，用戶需要選擇通信模式和串口的通訊參數，保證通信設備配置相同的通信模式和串口通訊參數。

建立函數的過程如下：

s=serial(‘com1’);%創建串口對象s,串口號為COM1

set(s,‘BaudRate’,9600,‘Parity’,‘even’,‘Stop?Bits’,1,‘DataBits’,8,‘TimerPeriod’,0.05);

%設置串口波特率為9600；偶校驗，一位停止位，8位數據位；定時器周期為0.05s

2.2 Modbus通信協議

Modbus通訊協議[3]是一種主-從通訊機構，是世界上第一個用于工業現場的總線協議，它只定義了協議層，支持RS-232和RS-485電氣接口。常用的Modbus通訊協議有ASCII和RTU[4]兩種通信模式。一般來說，通訊數據量少且主要是文本的通訊采用ASCII模式，通訊數據量大而且是二進制數值時，多采用RTU模式，綜合考慮，本系統選用Modbus RTU模式作為通信協議。

Modbus RTU模式中，數據以幀的方式進行傳輸，通信指令以8位二進制數的形式傳遞。當通訊命令由發送設備（主機）發送至接收設備（從機）時，符合相應地址碼的從機接收通訊命令，并根據功能碼及相關要求讀取信息，如果CRC校驗無誤，則執行相應的任務，然后把執行結果（數據）返送給主機。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執行后的數據以及CRC校驗碼。如果CRC校驗出錯就不返回任何信息。

CRC-16校驗碼多項式為X16+X15+X2+1，具體步驟如下：

unsigned int CRC16(unsigned char*Msg,unsigned int DataLen)%*Msg為待校驗數據首地址，DataLen為待校驗數據長度

{

unsigned char uchCRCHi=0xFF;

%高CRC字節初始化

unsigned char uchCRCLo=0xFF;

%低CRC字節初始化

unsigned int i; %CRC循環中的索引 while(Dat?

aLen--) %傳輸消息緩存區

{

i=uchCRCHi*Msg++;%計算CRC

uchCRCHi=uchCRCLo^auCRCHi[i];

uchCRCLo=auCRCLo[i];

}

return(uchCRCHi＜＜ 8|uchCRCLo);

}

3 MATLAB GUI設計

3.1 GUI界面設計

監控系統的界面設計應遵循布局合理、清楚直觀、方便用戶操作等原則，具體的界面設計如圖2所示。系統的GUI界面[6]主要由監控數據顯示模塊、參數設置模塊、實時位置動態模擬模塊、故障診斷模塊、實時曲線繪制模塊等組成。

（1）監控數據顯示與參數設置模塊。數據顯示面板主要將上位機采集到的溫度、電壓、電流、轉速、位置等信息顯示在GUI界面中，方便使用者進行觀察；參數設置面板主要包含串口的設置、電機啟停開關和轉速的設定。

（2）實時位置動態模擬及故障診斷模塊。由于云臺監控系統需要得知云臺轉動的實時位置，因此，用兩個表盤將云臺水平轉向和俯仰轉向的實時運動位置以角度的形式動態模擬出來。在系統正常運行時，故障診斷模塊的error顯示“正常運行”，當運行時錯誤發生次數達到一定值后，會在error區顯示哪個監控參數出現錯誤，進行系統故障自診斷。

（3）實時曲線繪制模塊。曲線繪制模塊主要負責對云臺的水平實時轉速、俯仰實時轉速、水平電機相電流、俯仰電機相電流進行實時監測。通過在MATLAB GUI中添加axes控件通過曲線繪制來顯示水平和俯仰方向的實時轉速和實時電流的動態變化。在axes()函數中設置當前曲線繪制坐標，再調用set()函數完成曲線的繪制。

圖2 二自由度云臺參數監測系統界面設計

3.2 參數監控系統程序設計

由該監控系統的設計要求，需要實時監控云臺的水平實時轉速，俯仰實時轉速，水平實時位置，俯仰實時位置，母線電壓，電路參考電壓，水平電機v相電流，水平電機u相電流，俯仰電機v相電流，俯仰電機u相電流，溫度等數據。

本系統采用的是基于MATLAB GUI的平臺上編寫的上位機程序，其中有很多庫函數可以直接調用，因此編寫很方便、快捷。只需要在GUI面板中設計好界面，再在每個模塊中編寫相應功能的回調函數即可。

3.3 濾波算法

為了濾掉信號經過模擬電路時的那些偶然的脈沖波或者周期性波[8]，減小采集到信號的誤差，針對該監控系統采用限幅濾波法，該濾波方法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。濾波程序如下：

/*A值可根據實際情況調整，Value為有效值，NewValue為當前采樣值，濾波程序返回有效的實際值*/

#define FILTER.

int Filter()

{

int NewValue;

NewValue=Get_AD();

if(((NewValue-Value)＞ FILTER_A)||((Value-NewVal?ue)＞FILTER_A))

return Value;

else

return NewValue;

}

圖3 監控程序流程圖

4 監控系統測試

4.1 通訊測試及結果

圖4 串口測試數據傳輸流程圖

為了測試監控系統的實時通信效果，利用MAT?LAB GUI制作了一個簡單的通信測試[5]界面，如圖5所示。監控系統的串口測試流程圖如圖4所示。經測試，該系統的上位機可以和下位機進行實時通信。當通過監測系統給下位機發送讀取水平轉速指令（01 03 00 00 00 01 84 0A）后，下位機返回數據（01 03 02 00 C8 B9 D2），其中00 C8為返回數據，轉換為二進制表示水平轉速為200rpm，通過測速儀測得水平電機的轉速為197rpm，結果表明監控系統的通信正常。

4.2 監控功能測試及結果

將上位機和下位機連接完畢，進入測試程序，打開GUI監控界面并打開串口，點擊開始監控按鈕，監測系統的實驗效果如圖6所示。

圖5 串口通信GUI測試界面

圖6 監控功能測試界面

結果表明，監控系統可以將采集到的監控數據實時顯示在面板上，且實時位置動態模擬面板和實時曲線繪制面板均正常顯示，監控系統各模塊工作正常。此測試為云臺在低速運行時的數據采集，實驗基本上達到了所要實現的效果，監測結果精確。

5 結語

本文基于MATLAB GUI的串口通信方法，以Mod?bus為基礎通信協議，設計了二自由度云臺的參數監測系統。選用MATLAB GUI作為界面開發的工具是合適的，雖然其界面開發和數據采集的功能相對較簡單。但是，在一般的界面開發和普通功能的串口通信開發中，GUI的控制算法寫在M文件中，便于使用人員進行修改，且GUI組件使用方便快捷，編程簡單易懂，很方便新手學習。實驗結果證明了該GUI監控系統界面豐富、功能完善，且運行穩定可靠。