基于VC++串行通信的無(wú)刷直流電機監控系統

　　摘要：本文重點(diǎn)介紹了基于PC機和MSP430單片機串行通信的具體實(shí)現過(guò)程。硬件部分解決了通信電平不一致的問(wèn)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(guò)程中數據傳輸的格式問(wèn)題。實(shí)驗結果表明，該方案操作性強，能成功運用于電機的監控系統。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機 VC++ MSP430 串行通信

　　1、引言

　　[1]無(wú)刷直流電機調速性能好，利用單片機MSP430專(zhuān)門(mén)的PWM功能、豐富的I/O口、快速運算等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現對無(wú)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(shí)的關(guān)鍵信息有效處理，本文通過(guò)編寫(xiě)VC++上位機程序，采用PC機和單片機串行通信的主從式結構，實(shí)現了對電機的監控。

　　2、電機原理及系統硬件組成

　　2.1 無(wú)刷直流電機運行原理

　　無(wú)刷直流電機的電力電子開(kāi)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，系統由電動(dòng)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，根據轉子的不同位置，發(fā)出邏輯信號，根據實(shí)驗所得的邏輯表，控制輸出回路發(fā)出的信號，經(jīng)MOSFET驅動(dòng)放大，控制電機電樞電流的導通，以實(shí)現“換向”。

　　2.2 下位機控制系統硬件構成

　　下位機以MSP430系列的F2274單片機為控制核心，通過(guò)檢測電機轉子信號，單片機I/O口發(fā)出相應邏輯信號，與控制轉速的PWM信號相“與”，經(jīng)信號隔離，到電機專(zhuān)用驅動(dòng)芯片IR2130中，繼而導通橋式電路，實(shí)現MOSFET的導通。

　　同時(shí)， MSP430單片機的捕獲比較模塊，捕獲三相傳感器信號輸入的時(shí)間，本文試驗采用的無(wú)刷直流電機為一個(gè)機械周期(20個(gè)電周期)，通過(guò)計算得到電機的轉速公式為[3]：

　　;

　　表示檢測到第一次位置信號時(shí)的時(shí)鐘數，表示檢測到第二次位置信號時(shí)的時(shí)鐘數，為定時(shí)器的時(shí)鐘主頻，*3則表示轉過(guò)一個(gè)電周期所用的時(shí)間。通過(guò)串行通信，可將轉速、電壓、電流這些參數傳至上位機。

　　2.3 串行通信的硬件實(shí)現

　　本文采用異步通信模式[4]，設定好波特率及數據位和停止位的個(gè)數;將PC機的RXD腳與下位機的TXD相連，并共地;利用MAX232芯片實(shí)現電壓轉換，即通過(guò)串口線(xiàn)連到PC機上，加上5個(gè)1的電容把RS232電平轉化為標準TTL電平，再用兩個(gè)電阻分壓，以達到MSP430單片機的電壓標準。

　　3、串行通信軟件設計

　　3.1 上位機串行通信設計

　　[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(dòng)生成CMSComm的類(lèi)，訪(fǎng)問(wèn)其內部函數，可對PC機串行通信進(jìn)行控制。

　　在上位機進(jìn)行通信之前，在MSComm中，設置通信參數，程序在界面上采用可視化的串口設置方式，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(jìn)制方式檢取數據

　　m_com.SetRThreshold(1); //為1表示有一個(gè)字符引發(fā)一個(gè)事件

　　m_com.SetSThreshold(1); //參數1表示每當串口接收緩沖區中有

　　//多于或等于1個(gè)字符時(shí)將引發(fā)一個(gè)接收數據的OnComm事件

　　m_com.SetInputLen(0); //設置當前接收區數據長(cháng)度為0

　　在查詢(xún)到CommEvent的值等于2時(shí)，表明接收緩存里有了數據。數據是VARIANT型的，首先轉化為ColeSafeArray形式，然后再將數組元素分離轉化為BYTE型數組，最后再將BYTE里的字符轉化為數字。當上位機按下按鈕發(fā)送數據時(shí)，也應通過(guò)函數COleVariant()進(jìn)行強制類(lèi)型轉換，以VARINT的形式傳送出去。

　　當下位機將電機轉速的數據上傳后，本軟件加入了圖形顯示和數據存儲功能。在繪圖子對話(huà)框中，首先通過(guò)GetParent函數調用父對話(huà)框指針，將父對話(huà)框中的數值傳進(jìn)子對話(huà)框，然后通過(guò)定時(shí)器，以一定頻率繪制網(wǎng)格線(xiàn)并將傳進(jìn)來(lái)的數據點(diǎn)在圖上顯示。再次更新時(shí)，則重新繪制新曲線(xiàn)，覆蓋原有圖形，并將新點(diǎn)和舊點(diǎn)以直線(xiàn)相連，從而實(shí)現圖2所示的速度曲線(xiàn)。

　　在數據傳到子對話(huà)框時(shí)，基于VC++的操作，本文采取二進(jìn)制格式存儲數據。首先定義一個(gè)fstream的類(lèi)對象，該類(lèi)支持從本流類(lèi)所對應的磁盤(pán)文件中讀入和寫(xiě)入數據的雙向操作。當主對話(huà)框設置為“采集數據”時(shí)，對定義的二進(jìn)制文件進(jìn)行“寫(xiě)”操作;當設置“顯示數據”時(shí)，則不斷調用二進(jìn)制文件里的數據，并傳遞給圖像控件，顯示存儲的數據。關(guān)鍵代碼如下：

　　fstream iobin("ob.bin"，ios：：binary|ios：：out |ios：：in);//定義類(lèi)對象，ob為目標數據文件

　　…

　　if(((CQuxian1Dlg*)GetParent())->showmode==0)//0表示采集1表示顯示已有數據

　　{

　　data=((CQuxian1Dlg*)GetParent())->data;//取得父對話(huà)框的速度數據

　　iobin.write((char*)(&data)，sizeof(data));//寫(xiě)人二進(jìn)制文件

　　}

　　else

　　iobin.read((char*)(&data)，sizeof(data));//顯示已有數據

　　…

　　iobin.close();//關(guān)閉二進(jìn)制文件

　　3.2 下位機串行通信設計

　　在下位機控制系統中，采用MSP430系列單片機，其內置的USCI模塊通過(guò)UCAXRXD和UCAXTXD兩個(gè)外部引腳連到單片機外部，實(shí)現串行通信[5]。

　　首先設定好系統時(shí)鐘，并進(jìn)行UCAXRXD和UCAXTXD的引腳設置。然后通過(guò)UCA0CTL1選擇串行通信模塊的時(shí)鐘源，并通過(guò)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(kāi)始接受，應設置為低位，否則會(huì )出現數據錯誤。參數設置如下：

　　UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK

　　UCA0BR0 = 104; // 1MHz 9600

　　UCA0BR1 = 0; // 1MHz 9600

　　UCA0MCTL = UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 1

　　UCA0CTL1 &= ～UCSWRST;

　　數據的發(fā)送和接收是通過(guò)中斷函數進(jìn)行的。首先開(kāi)接收中斷，對接收到的數據進(jìn)行判斷，并根據相應指令對電機的啟動(dòng)/停止和速度進(jìn)行控制，當接收到啟動(dòng)命令后，再開(kāi)發(fā)送中斷，將每次計算得到的轉速數據傳到發(fā)送緩存中進(jìn)行上傳，程序流程如圖3所示。

　　3.3 通信數據的格式轉化

　　單片機的接收和發(fā)送緩存是8位，本系統傳輸的數據是float型，在傳輸前需進(jìn)行數據轉換。首先，限定傳輸的數據為0.0001～9999，取4位有效數字;然后將數據擴大10的“倍數”，轉化為整數;再將整數分為高二位和低二位，分別賦到數組的前兩位元素中，第三位元素賦以“倍數”;第四位元素賦以標識位，使每個(gè)目標數有唯一的標識符，方便傳輸。

　　4、結語(yǔ)

　　本文以MSP430單片機為核心，通過(guò)編制上位機可視化程序，采取主從式控制結構，使得無(wú)刷直流電機的控制和可觀(guān)性得到了明顯的改善，實(shí)驗結果表明，該方案能成功用于電機的監控系統。

　　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(wú)刷直流電機的單片機監控系統的研制[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2002(3)：3-5.

　　[3]王宏華.新型交流電動(dòng)機及控制技術(shù)系列講座(3)永磁無(wú)刷電動(dòng)機[J].機械制造與自動(dòng)化，2004(3)：105-109.

　　[4]徐洋.基于MSP430單片機的無(wú)刷直流電機實(shí)驗測試平臺設計[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2010(4)：168-171.

　　[5]張筠，劉書(shū)智.Visual C+ +實(shí)踐與提高—串口通信與工程應用篇[M].北京：中國鐵道出版社，2006：179-182.

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