基于LabVIEW的RS422通信技術(shù)虛擬檢測儀器設(shè)計

許飛勇，許飛燕，羅歡，李瑩，蘆煒

（中國人民解放軍第7451工廠，湖南郴州，423000）

0 引言

RS422接口標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，是一種采用4線制，全雙工，差分傳輸，一個主設(shè)備，其余從設(shè)備，主設(shè)備和從設(shè)備之間能雙向全雙工通信，從設(shè)備之間不能通信，所以支持點對多的雙向通信，最多可接10個節(jié)點。由于收發(fā)獨立，通信時不必控制數(shù)據(jù)方向，最大傳輸距離可達(dá)1200米，最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于電信通訊、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、汽車制造、儀器儀表、機(jī)床設(shè)備、智能家居和軍事科工等諸多領(lǐng)域。本文介紹了LabVIEW在激光測距及預(yù)警RS422通信技術(shù)檢測方面的應(yīng)用。

1 原理簡介與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 激光發(fā)射器工作原理

激光發(fā)射器內(nèi)含配電板、解算板、接收組件、儲能電容和底板組成，其工作原理框圖如圖1所示：上電后配電板向儲能電容充電， RS422通信口接收到外界下達(dá)的激光發(fā)射指令后，觸發(fā)氙燈放電并發(fā)射激光，激光被目標(biāo)反射回來經(jīng)放大整形后被接收組件接收，由解算板內(nèi)CPU根據(jù)光速及激光往返間隔時間計算目標(biāo)距離，目標(biāo)距離數(shù)據(jù)經(jīng)RS422通信口上傳。

圖1 激光發(fā)射器工作原理框圖

1.2 激光接收器工作原理

激光接收器含CPU單元和天線，其工作原理框圖如圖2所示：上電后CPU單元能進(jìn)行自檢，并通過 RS422通信口上傳自檢信息。如有外部激光照射時，天線將感應(yīng)到激光

圖2 激光接收器工作原理框圖

信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳送至CPU單元，解算后由RS422通信口上傳激光信息參數(shù)數(shù)據(jù)信息。

1.3 激光測距及預(yù)警RS422通信檢測原理

根據(jù)激光發(fā)射器和激光接收器的工作原理，設(shè)計其RS422通信檢測原理如圖3所示，研制一款具有兩路RS422通信接口的計算機(jī)作為上位機(jī)，計算機(jī)作為RS422通信主站，單獨檢測激光發(fā)射器時在主站上位機(jī)上運(yùn)用LabVIEW軟件編寫設(shè)計的VI(虛擬儀器)，調(diào)用VISA資源，通過上位計算機(jī)的RS422通信接口COM1向激光發(fā)射器下達(dá)激光發(fā)射命令，同時上位計算機(jī)的COM1通信口也接收激光發(fā)射器上傳的距離信息，通過程序解析后在LabVIEW組態(tài)的前面板上形象地

圖3 激光測距及預(yù)警RS422通信檢測原理框圖

將檢測結(jié)果顯示出來。單獨檢測激光接收器時使用簡易手持激光器對準(zhǔn)激光接收器發(fā)射激光，上位計算機(jī)通過RS422通信接口COM2接收激光接收器上傳的激光源方位信息，通過程序解析，結(jié)果也在LabVIEW組態(tài)的前面板上形象地顯示出來。聯(lián)合檢測時，將激光發(fā)射器發(fā)射的激光對準(zhǔn)激光接收器，上位計算機(jī)利用軟件編程通過RS422通信接口COM1和COM2分別與激光發(fā)射器和激光接收器進(jìn)行通信，下達(dá)激光發(fā)射命令和接收上傳的激光信息數(shù)據(jù)，通過程序解析，將檢測結(jié)果在LabVIEW組態(tài)的前面板上形象地顯示出來。

1.4 控制流程設(shè)計

檢測控制流程如圖4所示，上位機(jī)運(yùn)行Labview編寫檢測程序后，首先通過RS422接口接收被測部件自檢數(shù)據(jù)，判斷激光發(fā)射/接收器是否上電自檢正常，如正常則繼續(xù)接收被測部件發(fā)送過來的RS422通信數(shù)據(jù)；激光發(fā)射模式設(shè)計了手動和自動兩個模式，手動模式下需要人工按下觸發(fā)按鈕才能下達(dá)激光發(fā)射指令進(jìn)行激光發(fā)射，每按一下發(fā)射一次激光，測距次數(shù)加一，自動模式下上位機(jī)根據(jù)設(shè)計的程序可選5Hz和10Hz兩種頻率下發(fā)激光發(fā)射指令發(fā)射激光，每次到達(dá)設(shè)定的定時間隔時間發(fā)射一次激光，測距次數(shù)加一；任何時候按下清零按鈕，所有數(shù)據(jù)清零復(fù)位。

圖4 控制流程圖

1.5 硬件及外圍電路設(shè)計

上位機(jī)采用定制便攜計算機(jī)，配置雙串口主板，酷睿7代i7處理器，512G固態(tài)硬盤，16G內(nèi)存，內(nèi)置快充電池，RS422接口2個，分別與激光發(fā)射器和激光接收器通信，外形為DB9孔連接器。RS422全雙工接線原則TX+(發(fā)+)接對方RX+(收+)，TX-(發(fā)-)接對方RX-(收-)，RX+(收+)接對方TX+(發(fā)+)，RX-(收-)接對方TX-(發(fā)-)，接線圖如圖5所示。傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

圖5 檢測接線圖

1.6 虛擬儀器設(shè)計

根據(jù)被測激光發(fā)射器和激光接收器的檢驗技術(shù)要求，設(shè)計虛擬儀器必須滿足以下要求：⑴激光發(fā)射器和激光接收器能分別進(jìn)行單獨檢測；⑵激光發(fā)射器和激光接收器能一起進(jìn)行整體聯(lián)合檢測；⑶硬件共用一臺計算機(jī)設(shè)備完成所有檢測項目。

1.6.1 虛擬儀器前面板設(shè)計

運(yùn)用LabVIEW軟件，編寫檢測程序，根據(jù)通信協(xié)議將收到的通信數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制數(shù)據(jù)）進(jìn)行直觀形象圖案組態(tài)，在前面板上用布爾控件下達(dá)控制指令如觸發(fā)、自動手動選擇等用戶指令；用布爾指示器亮滅表示故障、工況、方位、激光源和通信類型等信息，用數(shù)值指示器直接顯示角度、距離、測距次數(shù)和批次等數(shù)值，使用人員在檢測過程中可以一目了然的知道故障現(xiàn)象。虛擬檢測儀前面板設(shè)計如圖6和圖7所示。

圖6 激光發(fā)射器檢測儀前面板

1.6.2 虛擬儀器程序框圖設(shè)計

虛擬儀器程序框圖設(shè)計是圖形化源代碼編寫的過程，是虛擬儀器設(shè)計的核心，本例需要對計算機(jī)的RS422通信口進(jìn)行寫入和讀取，需要用到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Standard Architecture）簡稱VISA。通過VISA資源名稱端子選擇計算機(jī)的通信端口（如COM1或COM2）,再調(diào)用VISA配置串口函數(shù)節(jié)點對所選的通信口進(jìn)行配置，這里我們將計算機(jī)COM1通信口配置為：波特率19200，8位數(shù)據(jù)位，奇校驗，1位停止位，如圖8所示；COM2通信口配置為：波特率38400，8位數(shù)據(jù)位，無校驗，1位停止位。

圖8 通信端口COM1設(shè)置

通過通信口的字節(jié)屬性節(jié)點獲得其字節(jié)數(shù)信息，當(dāng)通信端口字節(jié)數(shù)不為零時，通過調(diào)用VISA讀取函數(shù)節(jié)點讀取獲得通信口接收到的數(shù)據(jù)。

從通信口讀取的數(shù)據(jù)為字符型數(shù)據(jù)，通過字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)將字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無符號字節(jié)數(shù)組，索引數(shù)組里特定的某個元素，將該元素的值與通信協(xié)議規(guī)定的值進(jìn)行比較判斷，并將比較結(jié)果用布爾指示器進(jìn)行指示；如果是數(shù)值數(shù)據(jù)則直接換算將結(jié)果送數(shù)組指示器進(jìn)行顯示，使使用者能直觀判斷被測部件好壞，如圖9所示。

圖9 通信數(shù)據(jù)解析

自動模式下，激光發(fā)射指令的裝載由定時器控制，到達(dá)指定的間隔時間，調(diào)用VISA寫入函數(shù)節(jié)點將發(fā)射指令B302C4寫入指定的RS422通信口并發(fā)送出去；手動狀態(tài)下，激光發(fā)射指令的裝載由觸發(fā)布爾控件控制，按下觸發(fā)控件，調(diào)用VISA寫入函數(shù)節(jié)點將發(fā)射指令B302C4寫入指定的RS422通信口并發(fā)送出去，如圖10所示。

圖10 通信端口寫入

2 性能驗證

檢測儀設(shè)計制作完畢后，對大量被測產(chǎn)品進(jìn)行檢測，在功能性能方面檢測準(zhǔn)確率達(dá)100%，角度參數(shù)檢測誤差為0，距離參數(shù)檢測3000米以內(nèi)誤差為0，3000-6000米檢測誤差范圍為5米以內(nèi)，達(dá)到被測部件檢測技術(shù)條件要求。

3 結(jié)束語

本文介紹了一款基于LabVIEW的RS422通信技術(shù)虛擬檢測儀器研究、設(shè)計與制作過程，通過LabVIEW軟件編寫檢測程序?qū)⒂嬎銠C(jī)虛擬成一臺檢測設(shè)備，設(shè)備投入使用后能完成對激光發(fā)射器和接收器的單獨和聯(lián)合檢測，確保了被測產(chǎn)品使用前的完好性。基于LabVIEW的虛擬儀器開發(fā)技術(shù)，開發(fā)設(shè)計靈活多變，多個虛擬設(shè)備可共用相同的硬件，能極大的降低開發(fā)成本，具有很高的市場價值和應(yīng)用前景。