基于LabVIEW的控制器調試系統設計

趙維衛 湯潔

摘 ?要：對于電機及控制器的調試工作，以往主要依賴于串口調試的預先寫入的數據幀測試用例與傳統編程語言編寫的上位機。前者在調試環節需要人為換算十六進制數據且缺少實時性;后者的軟件開發周期較長，對于不同控制器產品，程序不易改寫。本文設計了一種基于LabVIEW平臺的調試系統，并使用電機及控制器產品搭建調試平臺進行驗證。測試結果表明，該調試系統具有模擬實際工況好、方便易用、改寫容易等優點，還可以對控制器的不同研發階段進行針對性地調試。

關鍵詞：LabVIEW;調試系統;電機控制器;VISA;上位機

1.引言

在智能制造2025與工業4.0浪潮不斷沖擊的今天，在電機控制領域，DSP等主控芯片引導的數字電路越來越普及，同時也對于快速調試電機控制器產品提出了更高的要求。在一個大型工程系統中，電機及其控制器通常作為一種子系統出現，在不同工況下，系統期望的電機工作狀態也不盡相同，使用主控芯片作為下位機，接受并響應上位機下發的數據幀指令以控制電機的起動、停止及調整至要求的轉速，逐漸變為一種常見的工作模式。工程化應用中，如何快速模擬電機及控制器的實際使用工況，并快速有效地提高產品調試效率，加快產品研制進度，切實滿足用戶需求，具有著至關重要的意義。

以往較為常用的上位機通信軟件通常采用VC、VB等軟件，這類軟件的前面板顯示與操作控件需要單獨編寫腳本，研制周期較長，當上位機軟件需要應用于其他硬件產品時，軟件代碼改動較大，效率低下。與傳統軟件編寫平臺不同的是，LabVIEW采用圖形化編程，即G語言進行程序編寫。LabVIEW軟件的前面板，允許編寫者放置多種儀器單元模塊與控件，這種高度的儀器自定義能力，使得LabVIEW能夠完成編寫者指定的功能以及特殊的顯示需要。在程序框圖中，編寫者可以對控件和數據進行編輯和處理，采用數據流線框的方式代替文字編程的邏輯順序。本文基于LabVIEW軟件平臺，采用前面板與程序框圖相結合建立模板的方式，設計了一種面向電機控制領域通用化的軟件調試系統平臺，以實現高速高效的電機控制器調試工作。

2.上位機及電機控制器平臺組成

2.1軟件部分組成

以DSP芯片主控的控制器為例，該控制器調試系統的軟件部分由上位機調試軟件系統和控制器主控DSP芯片內置燒錄軟件構成，上位機在LabVIEW軟件平臺設計開發。下位機軟件在CCS3.3軟件平臺中設計開發，燒錄在DSP芯片內部。整體框圖如圖1所示。

2.2硬件部分組成

調試系統包括如下幾個部分硬件，調試軟件系統所在的工控機、被測試的目標代碼所在的電機控制器以及與控制器相連的電機本體，硬件設備關系圖如圖2所示。

3.軟件部分程序設計

3.1軟件總體架構

調試軟件與控制器的交互方式采用控制器實時反饋，上位機對反饋的數據進行解析與顯示，當上位機需要下發指令時，在使用者需要的時刻對控制器發送數據幀，總體架構如圖3所示。

3.2VISA

VISA的全程是Virtual Instrument Software Architecture，其本質是I/O口規范的匯總。在Instrument I/O的Serial中選擇串口通信模塊，在串口通信中主要用到的VISA功能有：（1）VISA Configure Serial Port：對VISA進行初始化并編輯串口通信相關參數;（2）VISA Write：將LabVIEW輸出緩沖區的數據發送到VISA串口緩沖區;（3）VISA Read：將VISA串口緩沖區的數據讀取預先設定字節的數據并保存到計算機中;（4）VISA Bytes at Serial Port：查詢上述VISA Read預先設定的字節數;（5）VISA Close：關閉串口資源;（6）VISA Set I/O Buffer Size：設置VISA串口資源緩沖區字節數;（7）VISA Flush I/0 Buffer：清空VISA串口緩沖區。

3.3程序前面板操作界面設計

3.3.1程序主界面

程序主界面作為整個調試軟件系統的入口，力求簡潔明了，快速引導軟件使用者進行串口通信等相關設置作為調試準備，包括設置、實驗測試、仿真測試以及退出共四個選項，如圖4所示。當選擇前三個選項中的一個時，系統會打開一個新的頁面，執行對應的子程序。

3.3.2“設置”子程序界面

設置子程序主要用于對VISA串口參數進行設置，包含讀取的物理串口序號、數據傳輸波特率、一個字節數據中包含的數據比特、奇偶校驗、停止位、數據流控制、未接收到串口數據報串口故障的最短時間和一幀數據包含的字節數，如圖5所示。以上參數對于不同控制器對應的通信協議可以快速設定，對于較為常用的參數類型，可以對數據輸入控件右鍵點擊“當前值設為默認值”。設置完畢后，單擊“保存”按鈕，軟件會彈窗提示已經設置成功，再次點擊“返回”回到程序主界面。

3.3.3“實驗測試”子程序界面

電機與控制器的調試環節集中在“實驗測試”子程序中，如圖6所示。當進入該界面時，VISA讀串口已經執行，調試系統可以實時接收并顯示控制器反饋的數據。在實際使用中，由于上位機下發的數據為十六進制數據，下位機會嚴格執行給定的電機轉速值，因此在開始試驗前，必須設置轉速上限值，當輸入給定的轉速值超過該值，實際發送的轉速給定指令會按照轉速上限值發出，以保護實驗人員與電機的安全。開始實驗時，點擊“啟動”按鈕，上位機就會發送啟動數據幀指令，作用等效于對轉速給定指令的使能開啟。然后輸入需要的電機轉速值，并點擊“轉速給定”按鈕，此時控制器就會響應指令驅動電機旋轉，并獲取當前電機工作狀態反饋給上位機。需要電機停止轉動時，先降低轉速給定數值，使電機工作在低速狀態，然后單擊“停止”即可。點擊“退出程序”可以返回值主界面。

在上方數據顯示界面中，左側波形圖表繪制轉速給定與轉速反饋曲線對比圖，右側顯示電機當前參數與工作狀態。

3.3.4“仿真測試”子程序界面

對于尚未確定主控芯片軟件技術狀態的控制器，主要工程需求在于選取合適的控制策略參數，此時使用控制器驅動電機的方式就不安全，同時效率也較低，因此采用仿真測試的方式，直接檢測控制器軟件內部參數變量在給定不同轉速值的條件下的變化情況，加快產品研制進度，主要操作方法與“實驗測試”相同，如圖7所示。

3.4程序框圖軟件設計

3.4.1程序主界面程序框圖

采用布爾控件值改變觸發的事件結構，當某一個控件布爾按鈕被按下后，調用對應的子VI程序。

3.4.2“設置”子程序程序框圖

當VISA參數設置完畢后，點擊保存按鈕，此時會將該設置存儲在一個全局變量中，子程序被關閉后全局變量中的數據仍然會被保留，在后續調試中的VISA參數均從該全局變量中讀取。

3.4.3“實驗測試”子程序

子程序啟動后，會首先進行一個初始化的步驟，讀取上一步存儲的串口參數，并在程序啟動開始時執行清空緩存區的指令，然后進入程序主循環，如圖8所示。

程序主循環將串口讀數據操作作為主體，對于數據緩沖區的數據，固定讀取一幀數據對應的字節數長度，因緩沖區數據是首尾相連的，對于取出的數據，并不確定是否從幀頭開始，至幀尾結束，因此需要對數據幀進行整理，識別出幀頭所在位置。具體做法是，識別數據幀頭，從幀頭處將數據幀一分為二，幀頭以前的數據為上一幀數據，幀頭及以后的數據為本幀數據，利用程序框圖的移位寄存器，在兩次循環之間存儲數據，把同屬于一幀的數據進行重新拼接。數據整理完畢后，對該幀數據的校驗位進行核算，并將數據幀由十六進制數字格式轉換為十六進制字符串格式。如圖9所示。

對于校驗位核算無誤的數據幀，對照控制器通信協議，對各個字節信息進行物理量換算，由于信息已更換為十六進制字符串格式，對于一些物理量包含高八位與低八位甚至更多字節數據，也可以用字符串連接的方式進行解析，這些數據、波形與布爾狀態均顯示在前面板中，如圖10所示。

上位機下發數據指令的功能，由獨立于主循環的一個事件結構完成，其工作原理類似于主界面中各個子程序切換的功能，不同的是，由該布爾觸發的是對VISA串口執行一次寫操作，且這個事件結構沒有獨立的結束循環觸發，該結束觸發由主循環的“退出程序”布爾按鈕執行，如圖11所示。

3.4.4“仿真測試”子程序程序框圖

該部分子程序與“實驗測試”子程序相似，區別在于數據的物理量換算由電機轉動的實際物理量變為控制軟件的參數變化情況。

4.調試系統應用實例

對于某型電機及控制器，使用“實驗測試”子程序對控制器響應上位機的轉速指令與電機工作狀態進行了測試，如圖12所示。針對該型無刷直流電機控制器，采用270VDC供電，設定轉速為4000rpm，控制器母線電流為6A，相電流為8.5A，電機工作狀態正常無故障，通過觀測電機轉速升高的斜率以及超調量，該型電機及控制器工作狀況良好，滿足設計方案及實際工作要求。

5.結論

本文采用LabVIEW 2017軟件平臺，針對電機及控制器產品設計研發調試，設計并編寫了一個調試系統軟件。該軟件針對控制器的不同研發階段，具備控制器部分參數整定調試的“仿真測試”功能，和控制器與電機整體聯調的“實驗測試”功能。通過對實際電機控制器產品的調試過程進行驗證，能夠切實有效的提高電機控制器產品的調試精確程度，以近似實際使用工況的條件進行工作。該軟件對于不同控制器的適應性好，對于不同通訊協議的程序改寫十分方便，目前已實際應用于工程研發，具備一定的實用價值。

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