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基于VC++串行通信的无刷直流电机监控系统
摘要：本文重点介绍了基于PC机和MSP430单片机串行通信的具体实现过程。硬件部分解决了通信电平不一致的问题，软件部分给出了PC机和单片机的通信程序，解决了通信过程中数据传输的格式问题。实验结果表明，该方案操作性强，能成功运用于电机的监控系统。
关键词：无刷直流电机 VC++ MSP430 串行通信
1、引言
[1]无刷直流电机调速性能好，利用单片机MSP430专门的PWM功能、丰富的I/O口、快速运算等优点，实现对无刷直流电机的逻辑控制，由于作为下位机的人机交互性不强，难以对电机运行时的关键信息有效处理，本文通过编写VC++上位机程序，采用PC机和单片机串行通信的主从式结构，实现了对电机的监控。
2、电机原理及系统硬件组成
2.1 无刷直流电机运行原理
无刷直流电机的电力电子开关代替有刷电机的换向片，减少了机械磨损及因换向产生的一些危险，系统由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成[2]。
电机本体同轴上的位置传感器，根据转子的不同位置，发出逻辑信号，根据实验所得的逻辑表，控制输出回路发出的信号，经MOSFET驱动放大，控制电机电枢电流的导通，以实现“换向”。
2.2 下位机控制系统硬件构成
下位机以MSP430系列的F2274单片机为控制核心，通过检测电机转子信号，单片机I/O口发出相应逻辑信号，与控制转速的PWM信号相“与”，经信号隔离，到电机专用驱动芯片IR2130中，继而导通桥式电路，实现MOSFET的导通。
同时， MSP430单片机的捕获比较模块，捕获三相传感器信号输入的时间，本文试验采用的无刷直流电机为一个机械周期(20个电周期)，通过计算得到电机的转速公式为[3]：
;
表示检测到第一次位置信号时的时钟数，表示检测到第二次位置信号时的时钟数，为定时器的时钟主频，*3则表示转过一个电周期所用的时间。通过串行通信，可将转速、电压、电流这些参数传至上位机。
2.3 串行通信的硬件实现
本文采用异步通信模式[4]，设定好波特率及数据位和停止位的个数;将PC机的RXD脚与下位机的TXD相连，并共地;利用MAX232芯片实现电压转换，即通过串口线连到PC机上，加上5个1的电容把RS232电平转化为标准TTL电平，再用两个电阻分压，以达到MSP430单片机的电压标准。
3、串行通信软件设计
3.1 上位机串行通信设计
[5]本文上位机通信模块采用MFC的编程方式，界面如图1所示。加入MSComm控件，自动生成CMSComm的类，访问其内部函数，可对PC机串行通信进行控制。
在上位机进行通信之前，在MSComm中，设置通信参数，程序在界面上采用可视化的串口设置方式，提高了软件的通用性和移植性。[论文网]
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：表示以二进制方式检取数据
m_com.SetRThreshold(1); //为1表示有一个字符引发一个事件
m_com.SetSThreshold(1); //参数1表示每当串口接收缓冲区中有
//多于或等于1个字符时将引发一个接收数据的OnComm事件
m_com.SetInputLen(0); //设置当前接收区数据长度为0
在查询到CommEvent的值等于2时，表明接收缓存里有了数据。数据是VARIANT型的，首先转化为ColeSafeArray形式，然后再将数组元素分离转化为BYTE型数组，最后再将BYTE里的字符转化为数字。当上位机按下按钮发送数据时，也应通过函数COleVariant()进行强制类型转换，以VARINT的形式传送出去。
当下位机将电机转速的数据上传后，本软件加入了图形显示和数据存储功能。在绘图子对话框中，首先通过GetParent函数调用父对话框指针，将父对话框中的数值传进子对话框，然后通过定时器，以一定频率绘制网格线并将传进来的数据点在图上显示。再次更新时，则重新绘制新曲线，覆盖原有图形，并将新点和旧点以直线相连，从而实现图2所示的速度曲线。
在数据传到子对话框时，基于VC++的操作，本文采取二进制格式存储数据。首先定义一个fstream的类对象，该类支持从本流类所对应的磁盘文件中读入和写入数据的双向操作。当主对话框设置为“采集数据”时，对定义的二进制文件进行“写”操作;当设置“显示数据”时，则不断调用二进制文件里的数据，并传递给图像控件，显示存储的数据。关键代码如下：
fstream iobin("ob.bin"，ios：：binary|ios：：out |ios：：in);//定义类对象，ob为目标数据文件
…
if(((CQuxian1Dlg*)GetParent())->showmode==0)//0表示采集1表示显示已有数据
{
data=((CQuxian1Dlg*)GetParent())->data;//取得父对话框的速度数据
iobin.write((char*)(&data)，sizeof(data));//写人二进制文件
}
else
iobin.read((char*)(&data)，sizeof(data));//显示已有数据
…
iobin.close();//关闭二进制文件
3.2 下位机串行通信设计
在下位机控制系统中，采用MSP430系列单片机，其内置的USCI模块通过UCAXRXD和UCAXTXD两个外部引脚连到单片机外部，实现串行通信[5]。
首先设定好系统时钟，并进行UCAXRXD和UCAXTXD的引脚设置。然后通过UCA0CTL1选择串行通信模块的时钟源，并通过UCA0BR0、UCA0BR1分频，从而得到需要的波特率。串行模块中的控制字UCMSB控制发送和接受移位寄存器从高位还是低位开始接受，应设置为低位，否则会出现数据错误。参数设置如下：
UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK
UCA0BR0 = 104; // 1MHz 9600
UCA0BR1 = 0; // 1MHz 9600
UCA0MCTL = UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 1
UCA0CTL1 &= ～UCSWRST;
数据的发送和接收是通过中断函数进行的。首先开接收中断，对接收到的数据进行判断，并根据相应指令对电机的启动/停止和速度进行控制，当接收到启动命令后，再开发送中断，将每次计算得到的转速数据传到发送缓存中进行上传，程序流程如图3所示。
3.3 通信数据的格式转化
单片机的接收和发送缓存是8位，本系统传输的数据是float型，在传输前需进行数据转换。首先，限定传输的数据为0.0001～9999，取4位有效数字;然后将数据扩大10的“倍数”，转化为整数;再将整数分为高二位和低二位，分别赋到数组的前两位元素中，第三位元素赋以“倍数”;第四位元素赋以标识位，使每个目标数有唯一的标识符，方便传输。
4、结语
本文以MSP430单片机为核心，通过编制上位机可视化程序，采取主从式控制结构，使得无刷直流电机的控制和可观性得到了明显的改善，实验结果表明，该方案能成功用于电机的监控系统。
参考文献
[1]孙建忠，白凤仙.特种电机及其控制[M].北京：中国水利水电出版社，2010.87-105.
[2]李先详，斯燕跃.无刷直流电机的单片机监控系统的研制[J].电气传动自动化，2002(3)：3-5.
[3]王宏华.新型交流电动机及控制技术系列讲座(3)永磁无刷电动机[J].机械制造与自动化，2004(3)：105-109.
[4]徐洋.基于MSP430单片机的无刷直流电机实验测试平台设计[J].电气技术与自动化，2010(4)：168-171.
[5]张筠，刘书智.Visual C+ +实践与提高—串口通信与工程应用篇[M].北京：中国铁道出版社，2006：179-182.
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