基于串口實現(xiàn)LabVIEW與PLC的無線通信

一、引言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美國國家儀器公司（National Instruments）推出一種基于圖形語言（G 語言）的開發(fā)環(huán)境，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行文件，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行，是目前最流行的虛擬儀器編程平臺，廣泛應(yīng)用于測試測量、過程控制、實驗室研究與自動化等方面。

可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是將計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)結(jié)合在一起的自動控制設(shè)備，具有可靠性高、體積小、功耗低、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，保證其在溫度和濕度都較高、空間較小、工作環(huán)境惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定、可靠、長時間連續(xù)地工作。

將 LabVIEW 與PLC 結(jié)合起來應(yīng)用于工程實踐，不僅可以大大降低成本、縮短開發(fā)周期，而且可以使得控制操作方便、界面美觀。

二、應(yīng)用背景

在某遙控模型裝置的研制過程中，因被遙控裝置的體積小、重量輕、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及其惡劣的工作環(huán)境決定了不適合在裝置內(nèi)部安裝普通計算機，所以選用體積小重量輕、工作可靠的松下公司FPE 型PLC 來作為被遙控裝置被控端的主控單元。該型號的PLC 有16點輸入和16 點輸出，程序容量可達32KB。PLC 在遙控裝置中的作用主要是采集模型裝置的狀態(tài)、接收遙控端的控制信號以及驅(qū)動電機等。遙控端選用普通計算機，作用主要是負責(zé)讀取PLC 中模型裝置的相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)并進行相關(guān)運算、根據(jù)具體工作模式給PLC 端自動發(fā)送控制信號或者通過采集人工輸入信號并將其發(fā)送給被遙控裝置的PLC。

鑒于 LabVIEW 軟件可方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號處理，具有強大的外部接口能力，而且采用LabVIEW 編寫控制程序主界面的既簡單美觀，又能節(jié)約開發(fā)時間，大大提高了程序設(shè)計效率等優(yōu)點，遙控端的控制程序采用LabVIEW 編寫。

三、LabVIEW 與PLC 的無線通信

由于模型裝置的遙控端和被控端相隔的距離較遠，為方便控制被控裝置的運動，所以考慮采用無線通信的方式讓遙控端與被控端進行通信聯(lián)系。LabVIEW 與PLC 之間的通信通常是采用串口方式，為此只需在這兩者之間架設(shè)無線電臺，并以無線電臺為橋梁實現(xiàn)LabVIEW與PLC 之間通過串口進行無線通信。

3.1 無線電臺及其與終端的連接

我們采用深圳市友訊達科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 FC211LP 微功率無線數(shù)傳模塊作為無線電臺。該電臺工作頻率在ISM 頻段（載波頻率433MHz），基于FSK 的調(diào)制方式，采用高效信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力。其傳輸性能優(yōu)良，接口多樣，且設(shè)置使用方便，共提供三種內(nèi)部接口方式：TTL/RS232/RS485，并提供透明的數(shù)據(jù)接口，接口波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，空中波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，用戶均可根據(jù)實際需要進行設(shè)置。另外，該電臺還具有可靠性高、體積小、重量輕等特點。

該電臺采用單片射頻集成電路及單片 MCU，外圍電路少，電臺與被控端和遙控端的連接如圖1 所示。



將電臺和用戶終端連接好后，只需打開其附帶的編程軟件Fc211sp，進行相關(guān)設(shè)置即可使用。在這個編程軟件中，可以讀取電臺當(dāng)前設(shè)置，也可以改變信道、空中頻率以及端口等的相關(guān)設(shè)置。由于PLC 與LabVIEW 之間數(shù)據(jù)傳送是雙向的，所以兩個電臺的設(shè)置應(yīng)當(dāng)完全一致。

3.2 LabVIEW 與PLC 的串口通信

利用串口實現(xiàn) LabVIEW 與PLC 之間通信的常用方法一般有兩種，第一種方法是利用VISA 進行串口通信。VISA 是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O 應(yīng)用程序接口，它本身并不具有儀器編程能力，VISA 是調(diào)用底層驅(qū)動器的高層API。第二種方法是利用標(biāo)準(zhǔn)串口通信函數(shù)進行串口通信。LabVIEW 中提供了幾個標(biāo)準(zhǔn)的串口通信函數(shù)，包括串口初始化函數(shù)、數(shù)據(jù)寫入串口函數(shù)、從串口讀出數(shù)據(jù)函數(shù)以及關(guān)閉端口函數(shù)等。這兩種方法雖然都可是實現(xiàn)LabVIEW 與PLC 的串口通信，但是前提是程序設(shè)計人員必須充分熟悉串口通信的工作原理及LabVIEW 的程序編寫，并且還需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)以及出錯處理等，保證串口通信正常進行，程序編制過程相對比較復(fù)雜。

實際上，LabVIEW 本身就帶有“Instrument I/O Assistant”，這個I/O 助手可幫助程序設(shè)計人員輕松完成串口通信相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，并實現(xiàn)與相關(guān)設(shè)備的串口通信。下面就以LabVIEW 與PLC 的串口通信為例說明如何利用I/O 助手實現(xiàn)串口通信。

I/O 助手可以選擇不同的設(shè)備端口，設(shè)定延遲時間以及定義接收和發(fā)送時結(jié)尾字符。由于LabVIEW 與PLC 的串口通信是應(yīng)答式的，并且設(shè)計中以LabVIEW 為主動，PLC 為被動，所以在“Select Instrument”中要先選擇加入“Write”，并將其輸入的字符串命名為input，用以存放給串口的寫入命令，來對PLC 進行讀或?qū)?，然后選擇加入“Read and Parse”，并將其輸出的字符串命名為output，用以存放串口中的返回數(shù)據(jù)。設(shè)置好的設(shè)置界面如圖2 所示。



松下公司的 PLC 串口通信格式是采用MEWTOCOL 協(xié)議，所以還要根據(jù)其協(xié)議格式來組織輸入的命令字符串以及分解串口返回的字符串。以向PLC 中寫數(shù)據(jù)為例，如果要向PLC的DT600 到DT603 四個數(shù)據(jù)單元中分別寫入數(shù)據(jù)100、200、300、400，則輸入字符串，即控制命令字符串應(yīng)為“%01#WD00600006036400C8002C019001CR”，其中CR 為校驗碼，控制命令字符串中的4 個數(shù)據(jù)項應(yīng)當(dāng)都為16 進制數(shù)據(jù)。命令字符串的組成可以通過LabVIEW提供的相關(guān)函數(shù)來完成，如圖3 所示。



其中 XOR 子VI 作用是求取“%01#WD00600006036400C8002C019001CR”這個字符串的校驗碼，其程序可采用LabVIEW 中的相關(guān)函數(shù)來編寫。命令字符串組成完后，將其賦值給input 字符串變量，然后建立input 字符串變量的一個局部變量，將其連接到“Instrument I/O Assistant”中input 項。另外，還要創(chuàng)建一個接收從串口返回的字符串的變量output，以及為串口通信報錯的error 變量，并將其都連接至“Instrument I/O Assistant”中的相關(guān)項，連接完成后如圖4 所示。


對于向 PLC 寫入數(shù)據(jù)，如果串口通信正常，則返回字符串output 中將應(yīng)是“%01$WD13”，否則將會報錯，并提示錯誤代碼，錯誤原因可根據(jù)錯誤代碼查閱MEWTOCOL 協(xié)議手冊。如果是從PLC 中讀出數(shù)據(jù)，與向PLC 寫入數(shù)據(jù)相比，則不僅輸入的命令字符串不同，而且返回字符串output 的內(nèi)容也不同，返回字符串output 中將包含所讀取的數(shù)據(jù)信息以及其他校驗信息等，需要從這個字符串中將數(shù)據(jù)信息提取出來。例如，如果命令是讀取PLC中DT650到DT653 的數(shù)據(jù)，則寫入的命令字符串是“%01RDD0065000653CR”，其中CR 是校驗碼。

假設(shè)PLC 中這幾個寄存器中的數(shù)據(jù)分別為150、250、350、450，則返回的字符串是“%01$RD9600FA005E01C201CR”，其中CR 是校驗碼。得到返回字符串后，還需要進一步將其分解，以便得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分解子VI 程序如圖5 所示。



因采用的是應(yīng)答式串口通信，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時，通信滯后可能是要面臨的一個問題。另外，因無線通信為保證通信準(zhǔn)確率，在距離較遠的情況下，需要適當(dāng)調(diào)低無線通信的空中頻率，這也可能會造成串口無線通信的滯后。當(dāng)通信的數(shù)據(jù)量較大，可采用數(shù)據(jù)分組的方法，將所有要交互的數(shù)據(jù)分成若干組，讓那些實時性要求很高的數(shù)據(jù)在每一組數(shù)據(jù)中都出現(xiàn)，而其他數(shù)據(jù)分布再不同的組中，但每一組的數(shù)據(jù)總量要適中，程序在每一次循環(huán)內(nèi)只分別對一組數(shù)據(jù)進行讀操作和寫操作，這樣會在很大程度上減少大量數(shù)據(jù)通信滯后帶來的一些問題。

四、結(jié)束語

本文介紹了利用無線電臺實現(xiàn)LabVIEW 與PLC 之間通過串口的無線通信的方法。這種方法已經(jīng)在某無線遙控模型裝置上通過測試并得到應(yīng)用。實踐證明，這種無線通信方法不僅通信可靠，錯誤率極低，而且簡單易行，能完全滿足一些工程實際需求。

本文創(chuàng)新點：采用LabVIEW 中的“Instrument I/O Assistant”模塊與PLC 進行串口通信，并實現(xiàn)LabVIEW 與PLC 的無線通信，不僅通信可靠，且簡單易行。