串行通訊在變頻調(diào)速中的應(yīng)用

一 引言

   交流電機因其堅固耐用、體積小、價格便宜而在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，目前交流電機的調(diào)速方法主要是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速技術(shù)集自動控制、微電子等技術(shù)于一體，它以很好的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，變頻器便是其中應(yīng)用最多的一種調(diào)速裝置。現(xiàn)代變頻調(diào)速器采用的是數(shù)字控制技術(shù)，以專用數(shù)字處理芯片為核心，能夠適合各種場合的電機拖動控制。它不僅節(jié)省能源，又是生產(chǎn)機械自動化的重要手段。采用變頻器和微機組合實現(xiàn)對電機的控制能夠充分發(fā)揮變頻器的優(yōu)勢，使電機的調(diào)速過程更加靈活，因此微機與變頻器之間的通訊也就十分重要。

   本文中的數(shù)字信號處理(簡稱DSP)采用的是TI公司的TMS320F240（以下簡稱F240），它是專門用于數(shù)字電機控制(DMC)的一種低價格、高性能16位定點運算DSP，其將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種理想的解決方案。F240的串行通信接口(SCI)支持CPU與其他采用標準NRZ(不返回零)格式的異步外設(shè)間的數(shù)字通信，因此可以利用DSP中的SCI模塊完成與微機間的指令和數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)微機對生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測和控制。

   PC機界面采用可視化編程工具VB6.0來編寫，VB6.0是運行與Windows上的交互式可視化集成開發(fā)環(huán)境，利用其強大的通訊控件和可視化編程，可方便實現(xiàn)PC機與DSP間的通信，同時提供良好的人機界面，方便用戶的操作和使用。

   二 通信協(xié)議

   F240的SCI的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都是采用的非歸零碼，如圖1所示。它是標準的異步通

                                
                     圖1 典型的SCI數(shù)據(jù)幀格式

   信方式，一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)、奇偶校驗位（可選）、1位或2位停止位。本文中的幀數(shù)據(jù)由10位組成，沒有奇偶校驗位，用專門的字節(jié)來校驗，停止位選擇的是1位。
通訊數(shù)據(jù)由10個字節(jié)組成，如圖2所示，主要由標志段(同步信號)、地址段、信息段和校驗段4部分組成，下面分別說明。
                    
                                            圖2 通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)

   標志段的報頭采用“7EH”，用以通知CPU一次傳輸數(shù)據(jù)的開始，即只有檢測到報頭后才認為接收到的是一組正確數(shù)據(jù)。

   地址段的5～7位是上位機地址，0～4位是下位機地址，采用地址段可以實現(xiàn)多PC機與多變頻調(diào)速裝置之間的通信，只有當CPU檢測到正確的屬于本機的地址時才響應(yīng)命令。

   信息段包含三類信息：命令字、狀態(tài)字和功能碼。其中命令字由高低兩個字節(jié)組成，可以傳遞修改功能碼、起停和正反轉(zhuǎn)等信息。功能碼由三個字節(jié)組成，用以傳送對諸如頻率，啟動時間，制動時間等變頻器參數(shù)。狀態(tài)字由兩個字節(jié)組成，用以說明下位機的一些現(xiàn)行狀態(tài)，諸如非法命令、操作是否成功等。

   校驗段的值為前九個字節(jié)的異或，當CPU接收完數(shù)據(jù)后對前九個字節(jié)做異或運算，再和檢驗段進行比較，如果相等則認為接收的數(shù)據(jù)是正確的；如果不相等則把信息段全部置零用以通知接收數(shù)據(jù)錯誤，要求重發(fā)。

   三 DSP的軟件設(shè)計

   一般來說單片機的通信程序可以有兩種選擇，即查詢方式和中斷方式。考慮到CPU要完成的控制功能比較復雜時，主循環(huán)的時間通常會比較長，因此采用查詢方式時的實時性往往不好，下位機對上位機的響應(yīng)速度比較慢，同時在沒有握手信號的情況下也有可能丟失數(shù)據(jù)。對于變頻調(diào)速裝置中的DSP來說，需要做大量的數(shù)據(jù)采集、占空比計算以及保護顯示、故障記錄等工作，可見不適合采用查詢方式。鑒于以上原因本文采用的是中斷方式。
F240 SCI的初始化工作放在主程序的開始部分，主要完成SCI控制寄存器的初始化，包括中斷的設(shè)置，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位等等。由于SCI中斷既包含發(fā)送中斷也包含接收中斷，因此作為下位機的DSP SCI初始化時開的是接收中斷而發(fā)送中斷是關(guān)閉的，即下位機只有接收到上位機命令時才會發(fā)送數(shù)據(jù)，同時程序也是以此為標志位來區(qū)分發(fā)送過程和接收過程的。下面給出了SCI的初始化程序：
                         
由于CPU完成的控制任務(wù)很復雜，所以系統(tǒng)的整體設(shè)計要求局部功能對CPU的占用時間盡可能的少，以盡可能地避免中斷沖突，使系統(tǒng)整體的控制性能比較優(yōu)越。針對于通訊模塊的程序設(shè)計，如果把數(shù)據(jù)接收發(fā)送和數(shù)據(jù)處理都放到中斷服務(wù)子程序中將違背上述原則，因此在通信中斷服務(wù)子程序中只進行數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送，即每次只接收或發(fā)送一個數(shù)據(jù)，然后退出中斷，當接收或發(fā)送完十個數(shù)據(jù)后就關(guān)閉接收或發(fā)送中斷，這時可以進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理放在主循環(huán)中，主要用于解碼和通知CPU完成相關(guān)地操作、形成下位機要反饋地數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)處理完畢后可以使能相應(yīng)地接收或發(fā)送中斷。圖3和圖4分別給出了這兩部分子程序的流程圖。
                                                    
圖3 SCI ISR流程圖                          圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

   四 PC機的軟件設(shè)計

   采用VB6.0編寫通信程序主要有兩種方法：(1)利用VisualBasic中的OCX控件MSComm32；(2)運用API函數(shù)。方法一，簡單、易調(diào)試，它使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通信事件和錯誤的值，屬事件觸發(fā)。本文采用的是這種方法，人機界面如圖5所示。

   軟件的核心部分是控件MSComm32，通過它可以設(shè)置通信的端口，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位等控制信息。MSComm控件提供了兩種處理通信問題的方法：事件驅(qū)動方法和查詢方法。最基本的通信事件有接收、發(fā)送和出錯等，可以使用戶方便地處理通信中的所涉及問題，本文采用的就是事件驅(qū)動方法。下面給出了該控件的初始化程序。

由于變頻器具有大量的運行參數(shù)和設(shè)定參數(shù)，要完成對其監(jiān)控上位機軟件就必須具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以保證可以對這些參數(shù)進行有效的管理，本文中的數(shù)據(jù)庫是采用Access來建立的，包含了參數(shù)的最大值最小值以及當前值等信息。VB中的Data控件支持Access數(shù)據(jù)庫，具有預先設(shè)計的數(shù)據(jù)庫導航允許用戶遍歷所有數(shù)據(jù)，基本上不需要或很少的編程就可以很方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接。但是該控件無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽，因此需要把具有數(shù)據(jù)綁定功能的控件同Data控件結(jié)合起來使用，本文中是采用Textbox和ComboBox控件來顯示數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的。

   軟件還包含了對通訊線路故障和通信狀態(tài)的檢測以及無效端口和端口開關(guān)的容錯處理，在一定程度上提高了軟件運行的可靠性。
                          
                             圖5 上位機人機界面
     
   五 結(jié)論

   利用DSP的串行通信接口(SCI)和功能強大的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具VB6.0，可以方便地實現(xiàn)DSP與PC機間的單機或多機串行通信。本文所涉及的軟件已在PC機和以TMS320F240為核心的變頻調(diào)速裝置上進行了調(diào)試，通過PC機遠程控制電機的轉(zhuǎn)速、起停等運行狀況，驗證了本方案的正確性，并獲得了滿意的效果。