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基于VC++串行通信的無刷直流電機監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：本文重點介紹了基于PC機和MSP430單片機串行通信的具體實現(xiàn)過程。硬件部分解決了通信電平不一致的問題，軟件部分給出了PC機和單片機的通信程序，解決了通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷絾栴}。實驗結(jié)果表明，該方案操作性強，能成功運用于電機的監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機 VC++ MSP430 串行通信
1、引言
[1]無刷直流電機調(diào)速性能好，利用單片機MSP430專門的PWM功能、豐富的I/O口、快速運算等優(yōu)點，實現(xiàn)對無刷直流電機的邏輯控制，由于作為下位機的人機交互性不強，難以對電機運行時的關(guān)鍵信息有效處理，本文通過編寫VC++上位機程序，采用PC機和單片機串行通信的主從式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對電機的監(jiān)控。
2、電機原理及系統(tǒng)硬件組成
2.1 無刷直流電機運行原理
無刷直流電機的電力電子開關(guān)代替有刷電機的換向片，減少了機械磨損及因換向產(chǎn)生的一些危險，系統(tǒng)由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成[2]。
電機本體同軸上的位置傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置，發(fā)出邏輯信號，根據(jù)實驗所得的邏輯表，控制輸出回路發(fā)出的信號，經(jīng)MOSFET驅(qū)動放大，控制電機電樞電流的導(dǎo)通，以實現(xiàn)“換向”。
2.2 下位機控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成
下位機以MSP430系列的F2274單片機為控制核心，通過檢測電機轉(zhuǎn)子信號，單片機I/O口發(fā)出相應(yīng)邏輯信號，與控制轉(zhuǎn)速的PWM信號相“與”，經(jīng)信號隔離，到電機專用驅(qū)動芯片IR2130中，繼而導(dǎo)通橋式電路，實現(xiàn)MOSFET的導(dǎo)通。
同時， MSP430單片機的捕獲比較模塊，捕獲三相傳感器信號輸入的時間，本文試驗采用的無刷直流電機為一個機械周期(20個電周期)，通過計算得到電機的轉(zhuǎn)速公式為[3]：
;
表示檢測到第一次位置信號時的時鐘數(shù)，表示檢測到第二次位置信號時的時鐘數(shù)，為定時器的時鐘主頻，*3則表示轉(zhuǎn)過一個電周期所用的時間。通過串行通信，可將轉(zhuǎn)速、電壓、電流這些參數(shù)傳至上位機。
2.3 串行通信的硬件實現(xiàn)
本文采用異步通信模式[4]，設(shè)定好波特率及數(shù)據(jù)位和停止位的個數(shù);將PC機的RXD腳與下位機的TXD相連，并共地;利用MAX232芯片實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，即通過串口線連到PC機上，加上5個1的電容把RS232電平轉(zhuǎn)化為標準TTL電平，再用兩個電阻分壓，以達到MSP430單片機的電壓標準。
3、串行通信軟件設(shè)計
3.1 上位機串行通信設(shè)計
[5]本文上位機通信模塊采用MFC的編程方式，界面如圖1所示。加入MSComm控件，自動生成CMSComm的類，訪問其內(nèi)部函數(shù)，可對PC機串行通信進行控制。
在上位機進行通信之前，在MSComm中，設(shè)置通信參數(shù)，程序在界面上采用可視化的串口設(shè)置方式，提高了軟件的通用性和移植性。[論文網(wǎng)]
setting=m_botelv+"，";
if (m_testbit == "None")
parity = "n";
else if (m_testbit == "Odd")
parity = "o";
else if (m_testbit == "Even")
parity = "e";
else if (m_testbit == "Mark")
parity = "m";
else if (m_testbit == "Space")
parity = "s";
setting += parity + "，";
setting += m_sbitbit + "，";
setting += m_stopbit;
if (m_comkou == "COM1")
m_com.SetCommPort(1);
else if (m_comkou == "COM2")
m_com.SetCommPort(2);
m_com.SetSettings(setting);
m_com.SetInputMode(1); //1：表示以二進制方式檢取數(shù)據(jù)
m_com.SetRThreshold(1); //為1表示有一個字符引發(fā)一個事件
m_com.SetSThreshold(1); //參數(shù)1表示每當串口接收緩沖區(qū)中有
//多于或等于1個字符時將引發(fā)一個接收數(shù)據(jù)的OnComm事件
m_com.SetInputLen(0); //設(shè)置當前接收區(qū)數(shù)據(jù)長度為0
在查詢到CommEvent的值等于2時，表明接收緩存里有了數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是VARIANT型的，首先轉(zhuǎn)化為ColeSafeArray形式，然后再將數(shù)組元素分離轉(zhuǎn)化為BYTE型數(shù)組，最后再將BYTE里的字符轉(zhuǎn)化為數(shù)字。當上位機按下按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)時，也應(yīng)通過函數(shù)COleVariant()進行強制類型轉(zhuǎn)換，以VARINT的形式傳送出去。
當下位機將電機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)上傳后，本軟件加入了圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲功能。在繪圖子對話框中，首先通過GetParent函數(shù)調(diào)用父對話框指針，將父對話框中的數(shù)值傳進子對話框，然后通過定時器，以一定頻率繪制網(wǎng)格線并將傳進來的數(shù)據(jù)點在圖上顯示。再次更新時，則重新繪制新曲線，覆蓋原有圖形，并將新點和舊點以直線相連，從而實現(xiàn)圖2所示的速度曲線。
在數(shù)據(jù)傳到子對話框時，基于VC++的操作，本文采取二進制格式存儲數(shù)據(jù)。首先定義一個fstream的類對象，該類支持從本流類所對應(yīng)的磁盤文件中讀入和寫入數(shù)據(jù)的雙向操作。當主對話框設(shè)置為“采集數(shù)據(jù)”時，對定義的二進制文件進行“寫”操作;當設(shè)置“顯示數(shù)據(jù)”時，則不斷調(diào)用二進制文件里的數(shù)據(jù)，并傳遞給圖像控件，顯示存儲的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵代碼如下：
fstream iobin("ob.bin"，ios：：binary|ios：：out |ios：：in);//定義類對象，ob為目標數(shù)據(jù)文件
…
if(((CQuxian1Dlg*)GetParent())->showmode==0)//0表示采集1表示顯示已有數(shù)據(jù)
{
data=((CQuxian1Dlg*)GetParent())->data;//取得父對話框的速度數(shù)據(jù)
iobin.write((char*)(&data)，sizeof(data));//寫人二進制文件
}
else
iobin.read((char*)(&data)，sizeof(data));//顯示已有數(shù)據(jù)
…
iobin.close();//關(guān)閉二進制文件
3.2 下位機串行通信設(shè)計
在下位機控制系統(tǒng)中，采用MSP430系列單片機，其內(nèi)置的USCI模塊通過UCAXRXD和UCAXTXD兩個外部引腳連到單片機外部，實現(xiàn)串行通信[5]。
首先設(shè)定好系統(tǒng)時鐘，并進行UCAXRXD和UCAXTXD的引腳設(shè)置。然后通過UCA0CTL1選擇串行通信模塊的時鐘源，并通過UCA0BR0、UCA0BR1分頻，從而得到需要的波特率。串行模塊中的控制字UCMSB控制發(fā)送和接受移位寄存器從高位還是低位開始接受，應(yīng)設(shè)置為低位，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。參數(shù)設(shè)置如下：
UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK
UCA0BR0 = 104; // 1MHz 9600
UCA0BR1 = 0; // 1MHz 9600
UCA0MCTL = UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 1
UCA0CTL1 &= ～UCSWRST;
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過中斷函數(shù)進行的。首先開接收中斷，對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，并根據(jù)相應(yīng)指令對電機的啟動/停止和速度進行控制，當接收到啟動命令后，再開發(fā)送中斷，將每次計算得到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳到發(fā)送緩存中進行上傳，程序流程如圖3所示。
3.3 通信數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化
單片機的接收和發(fā)送緩存是8位，本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是float型，在傳輸前需進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。首先，限定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0.0001～9999，取4位有效數(shù)字;然后將數(shù)據(jù)擴大10的“倍數(shù)”，轉(zhuǎn)化為整數(shù);再將整數(shù)分為高二位和低二位，分別賦到數(shù)組的前兩位元素中，第三位元素賦以“倍數(shù)”;第四位元素賦以標識位，使每個目標數(shù)有唯一的標識符，方便傳輸。
4、結(jié)語
本文以MSP430單片機為核心，通過編制上位機可視化程序，采取主從式控制結(jié)構(gòu)，使得無刷直流電機的控制和可觀性得到了明顯的改善，實驗結(jié)果表明，該方案能成功用于電機的監(jiān)控系統(tǒng)。
參考文獻
[1]孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制[M].北京：中國水利水電出版社，2010.87-105.
[2]李先詳，斯燕躍.無刷直流電機的單片機監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].電氣傳動自動化，2002(3)：3-5.
[3]王宏華.新型交流電動機及控制技術(shù)系列講座(3)永磁無刷電動機[J].機械制造與自動化，2004(3)：105-109.
[4]徐洋.基于MSP430單片機的無刷直流電機實驗測試平臺設(shè)計[J].電氣技術(shù)與自動化，2010(4)：168-171.
[5]張筠，劉書智.Visual C+ +實踐與提高—串口通信與工程應(yīng)用篇[M].北京：中國鐵道出版社，2006：179-182.
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