串行通訊在變頻調速中的應用
一 引言
交流電機因其堅固耐用、體積小、價格便宜而在工業領域獲得廣泛的應用，目前交流電機的調速方法主要是變頻調速。變頻調速技術集自動控制、微電子等技術于一體，它以很好的調速性能、顯著的節能效果在工業領域得到了廣泛的應用，變頻器便是其中應用最多的一種調速裝置。現代變頻調速器采用的是數字控制技術，以專用數字處理芯片為核心，能夠適合各種場合的電機拖動控制。它不僅節省能源，又是生產機械自動化的重要手段。采用變頻器和微機組合實現對電機的控制能夠充分發揮變頻器的優勢，使電機的調速過程更加靈活，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內核和豐富的微控制器外設功能集于一身，為控制系統應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)格式的異步外設間的數字通信，因此可以利用DSP中的SCI模塊完成與微機間的指令和數據傳遞，實現微機對生產現場的檢測和控制。
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環境，利用其強大的通訊控件和可視化編程，可方便實現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 通信協議
F240的SCI的接收和發送數據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數據幀格式
信方式，一幀數據包括1位起始位、8位數據位(最低有效位在前)、奇偶校驗位（可選）、1位或2位停止位。本文中的幀數據由10位組成，沒有奇偶校驗位，用專門的字節來校驗，停止位選擇的是1位。
通訊數據由10個字節組成，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 通信數據的結構
標志段的報頭采用“7EH”，用以通知CPU一次傳輸數據的開始，即只有檢測到報頭后才認為接收到的是一組正確數據。
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多PC機與多變頻調速裝置之間的通信，只有當CPU檢測到正確的屬于本機的地址時才響應命令。
信息段包含三類信息：命令字、狀態字和功能碼。其中命令字由高低兩個字節組成，可以傳遞修改功能碼、起停和正反轉等信息。功能碼由三個字節組成，用以傳送對諸如頻率，啟動時間，制動時間等變頻器參數。狀態字由兩個字節組成，用以說明下位機的一些現行狀態，諸如非法命令、操作是否成功等。
校驗段的值為前九個字節的異或，當CPU接收完數據后對前九個字節做異或運算，再和檢驗段進行比較，如果相等則認為接收的數據是正確的；如果不相等則把信息段全部置零用以通知接收數據錯誤，要求重發。
三 DSP的軟件設計
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據。對于變頻調速裝置中的DSP來說，需要做大量的數據采集、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，包括中斷的設置，波特率，數據位，停止位等等。由于SCI中斷既包含發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送中斷是關閉的，即下位機只有接收到上位機命令時才會發送數據，同時程序也是以此為標志位來區分發送過程和接收過程的。下面給出了SCI的初始化程序：
由于CPU完成的控制任務很復雜，所以系統的整體設計要求局部功能對CPU的占用時間盡可能的少，以盡可能地避免中斷沖突，使系統整體的控制性能比較優越。針對于通訊模塊的程序設計，如果把數據接收發送和數據處理都放到中斷服務子程序中將違背上述原則，因此在通信中斷服務子程序中只進行數據的接收或發送，即每次只接收或發送一個數據，然后退出中斷，當接收或發送完十個數據后就關閉接收或發送中斷，這時可以進行數據處理。數據處理放在主循環中，主要用于解碼和通知CPU完成相關地操作、形成下位機要反饋地數據信息，數據處理完畢后可以使能相應地接收或發送中斷。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 數據處理流程圖
四 PC機的軟件設計
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。方法一，簡單、易調試，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。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，通過它可以設置通信的端口，波特率，數據位，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：事件驅動方法和查詢方法。最基本的通信事件有接收、發送和出錯等，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和設定參數，要完成對其監控上位機軟件就必須具有相應的數據庫，以保證可以對這些參數進行有效的管理，本文中的數據庫是采用Access來建立的，包含了參數的最大值最小值以及當前值等信息。VB中的Data控件支持Access數據庫，具有預先設計的數據庫導航允許用戶遍歷所有數據，基本上不需要或很少的編程就可以很方便的實現數據庫的連接。但是該控件無法實現數據的瀏覽，因此需要把具有數據綁定功能的控件同Data控件結合起來使用，本文中是采用Textbox和ComboBox控件來顯示數據庫內容的。
軟件還包含了對通訊線路故障和通信狀態的檢測以及無效端口和端口開關的容錯處理，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 結論
利用DSP的串行通信接口(SCI)和功能強大的面向對象的開發工具VB6.0，可以方便地實現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為核心的變頻調速裝置上進行了調試，通過PC機遠程控制電機的轉速、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。