摘? 要： 介紹了使用虛擬儀器技術(shù)及PLC構(gòu)成的綜合測控系統(tǒng)" title="測控系統(tǒng)">測控系統(tǒng)，重點闡述了大型多線程LabVIEW程序的構(gòu)建、通訊協(xié)議的算法實現(xiàn)以及外部函數(shù)的調(diào)用、動畫的顯示等。
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器； PLC； 測控系統(tǒng)； LabVIEW； RS-232
?
LabVIEW即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，是美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化集成開發(fā)環(huán)境" title="開發(fā)環(huán)境">開發(fā)環(huán)境。它區(qū)別于其他開發(fā)環(huán)境，主要采用圖形化編程即G語言編程，其核心是子VI、前面板、數(shù)據(jù)流圖等概念。LabVIEW目前已經(jīng)發(fā)展到8.5版本，提供了與MATLAB、C等外部程序的良好接口，支持ActiveX、DDE、TCP/IP等標準程序接口，采用了面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎδ芊浅姶螅m用于任何編程任務(wù)，并滲入到嵌入式系統(tǒng)、FPGA設(shè)計等多個方面，成為一個獲得廣泛認可的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。本文介紹一個使用虛擬儀器技術(shù)在一臺普通PC上搭建通用多功能檢測平臺的應(yīng)用，其集成了多種傳統(tǒng)檢測功能，同時具有數(shù)據(jù)分析、存儲、模擬仿真等諸多擴展功能，使眾多功能統(tǒng)一在一個架構(gòu)下，成本低廉且方便管理維護，很好地體現(xiàn)了虛擬儀器低價靈活功能強大的優(yōu)點。
1 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本測控系統(tǒng)主要目的是在一個架構(gòu)下完成對工業(yè)生產(chǎn)中的各種元器件的檢測，根據(jù)測量對象的不同選用不同的機械部分，可以應(yīng)用于研發(fā)、質(zhì)保等環(huán)節(jié)。
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由普通PC機、PLC、機械/電動執(zhí)行件及傳感器搭建組成。傳感器通過CAN、開關(guān)量、模擬量等方式接入PLC,PLC通過RS232連接PC機。此系統(tǒng)靈活簡單，任何一臺裝上程序的普通PC機連接PLC就能采集數(shù)據(jù)，且成本較低。PLC選用一款國產(chǎn)的控制器,特點是端口豐富，擁有2個CAN2.0B端口，1個RS232/422/485復用串口，1個以太網(wǎng)口，6路PWM輸出，4路脈沖輸入以及大量的模擬和數(shù)字端口，價格低廉，符合本設(shè)計要求，擴展空間廣闊。基本連接的傳感器為Hengsler絕對編碼器和3B6角度傳感器，使用CANOPEN接口；執(zhí)行件為大扭矩步進電機，以PLC的PWM輸出作為其主要控制信號。
?
系統(tǒng)的核心是PC機與PLC的協(xié)同工作。在工作時PC機與PLC進行雙向?qū)Φ仁酵ㄐ牛伎梢韵驅(qū)Ψ街鲃影l(fā)數(shù)據(jù)。PC機負責人機交互" title="人機交互">人機交互、數(shù)據(jù)分析存儲以及根據(jù)收到的信息進行一些邏輯判斷，向PLC發(fā)送各種數(shù)據(jù)及命令。PLC負責將收到的命令轉(zhuǎn)換成具體的動作，收集現(xiàn)場信息傳給PC,以及實現(xiàn)安全保護的邏輯判斷。
2 主機程序總體結(jié)構(gòu)
程序主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。主循環(huán)由2個線程組成，一個負責監(jiān)視通信；一個負責邏輯分析以及人機交互。通信線程包括數(shù)據(jù)收包解包、幀打包發(fā)送。人機交互線程包括面板操作響應(yīng)、數(shù)據(jù)分析及畫圖演示、發(fā)送命令、響應(yīng)PLC的請求等。線程間通信通過LabVIEW中有互斥保護機制的隊列類型（queue）交換數(shù)據(jù)，避免不同線程同時搶占公共資源或讀寫順序混亂產(chǎn)生錯誤。線程內(nèi)部不同子循環(huán)間通過“通知/消息”結(jié)構(gòu)(notifier)交換有時間性要求的數(shù)據(jù)。最后為正常退出的處理程序，進行設(shè)置存盤等操作。數(shù)據(jù)的存儲與讀取使用ACCESS數(shù)據(jù)庫。
?
3 LabVIEW主要程序設(shè)計" title="程序設(shè)計">程序設(shè)計
3．1用戶登錄驗證
登錄驗證界面程序完成用戶合法性及權(quán)限驗證。在啟動時隱藏程序主界面，彈出登錄驗證界面。登錄程序首先讀取數(shù)據(jù)庫用戶信息，然后進入單循環(huán)event case結(jié)構(gòu)，等待登錄事件觸發(fā)，進行驗證。訪問數(shù)據(jù)庫使用LabSQL模塊完成。圖3所示為等待登錄事件觸發(fā)的程序，圖4中程序完成對用戶信息數(shù)據(jù)庫userinfo.mdb的一次訪問。
?
3．2 PC機與PLC通信設(shè)計
3．2．1 模塊概述
通信模塊的正常可靠運行是整個測控系統(tǒng)安全工作的基礎(chǔ)。如果不定義數(shù)據(jù)包不加處理地直接收發(fā)信息，則有可能因為收發(fā)雙方收發(fā)時間的不協(xié)調(diào)而導致連續(xù)的誤判。這在主從式低速通信的情況下可以通過問答形式避免，但在雙向通信的情況下，隨著數(shù)據(jù)量的增加錯誤風險也大大增加,可能導致危險的機械動作，因此需要一定的機制避免這種情況的發(fā)生。最理想的方法是利用TCP/IP協(xié)議,但PLC中RS232通信模塊沒有此協(xié)議，因此自行編制了一個底層通信協(xié)議以保證通信的可靠和效率。圖5為基本通信過程。
?
3．2．2? 通信協(xié)議
對于雙方的上層應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)幀定義如下：每一幀開頭包括2字節(jié)表示幀類型及幀意義，第三字節(jié)開始為數(shù)據(jù)及參數(shù)，長度可變，如無參數(shù)和數(shù)據(jù)則填空。重要的數(shù)據(jù)在發(fā)送后需要得到確認。應(yīng)用程序?qū)⑿枰l(fā)送的幀寫到寫緩沖隊列中，等待打包程序處理后發(fā)送。接收到的包經(jīng)過對應(yīng)的解包程序后送到讀緩沖隊列中給程序使用。
打包處理過程如圖6所示，程序接收到應(yīng)用程序要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，將幀中的數(shù)據(jù)位進行裁減及拼接處理，將原數(shù)據(jù)位中每7位數(shù)據(jù)分成一組，最高位補0，作為數(shù)據(jù)包中的1字節(jié)數(shù)據(jù)，犧牲1位的效率表示原數(shù)據(jù)。這樣做是因為包的結(jié)尾有一字節(jié)“FE”作為包結(jié)束標志，避免數(shù)據(jù)位中出現(xiàn)與結(jié)束位相同的字節(jié)。幀頭的幀類型幀意義2 字節(jié)數(shù)據(jù)同樣也不能出現(xiàn)和結(jié)束位一樣的字節(jié)“FE”。完成后再對前面所有位進行累加然后模128，結(jié)果作為1字節(jié)校驗位。在包的最后是一字節(jié)“FE”表示包結(jié)束。使用“FE”而不是“FF”可以避免此重要的結(jié)束字8位為全“1”，增強抗干擾性。解包程序為其逆過程。由于上述處理都是數(shù)據(jù)移位的過程，所以占用資源很少，執(zhí)行效率非常高，PLC端也能承受這種開銷。
?
LabVIEW中打包子程序" title="子程序">子程序主要部分如圖7所示。中間case結(jié)構(gòu)為打包算法的實現(xiàn):取出幀中數(shù)據(jù)位拼接到一個Unsigned Integer64單元中，接著按位取出，每7位一組作為1字節(jié)，得到包數(shù)據(jù)位，再進行累加和校驗，與幀頭2位及結(jié)束位組合便得到數(shù)據(jù)包。
?
3．2．3 通信監(jiān)視線程
通信監(jiān)視線程的接口主要是3個FIFO隊列，即Wbuf、combuf、databuf，隊列元素為供上層程序使用的幀，以LabVIEW中簇(Bundle)的形式存在。Wbuf表示待發(fā)送數(shù)據(jù)，combuf表示收到的命令幀，databuf表示收到的數(shù)據(jù)幀。程序不斷地掃描Wbuf隊列、RS232硬件接收緩沖區(qū)。當Wbuf中有元素時，依次取出所有元素，并對每個元素即待發(fā)的幀調(diào)用打包程序進行數(shù)據(jù)位、校驗位及結(jié)束位的處理，再把處理結(jié)果拼接成數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串后送給串口寫模塊發(fā)送。當RS232硬件接收緩沖區(qū)中掃描到數(shù)據(jù)時，線程將數(shù)據(jù)讀到一個數(shù)組中并掃描。當出現(xiàn)結(jié)束字時就把結(jié)束字以前的所有數(shù)據(jù)當成一個包拿出來，進行驗證判定解包，將不正確結(jié)果丟棄，正確結(jié)果放入combuf、databuf隊列中，并及時反映在前面板。當數(shù)組中沒有結(jié)束字時則不做處理，等待下一次數(shù)據(jù)。如果數(shù)組超過一定長度還沒收到結(jié)束字則視同錯誤包丟棄處理。通信狀態(tài)燈顯示通信工作狀態(tài)。
3．3 界面響應(yīng)線程
界面響應(yīng)線程主要負責對用戶界面操作的響應(yīng)，根據(jù)規(guī)則向PLC發(fā)送信息并應(yīng)答PLC請求，顯示工作情況等。此線程主要由兩個循環(huán)組成，第一個循環(huán)專門掃描用戶操作進行響應(yīng)，采用事件結(jié)構(gòu)（event case)編程，響應(yīng)事件程序都放在event case結(jié)構(gòu)中。case中實現(xiàn)控件響應(yīng)、系統(tǒng)設(shè)置、測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析畫圖顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。每一個需要響應(yīng)的事件或?qū)崿F(xiàn)的功能形成一個case，以“插件”的形式存在，便于修改。子case調(diào)用子程序，收發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)，并在前面板以字符串或動畫的形式產(chǎn)生回應(yīng)。用戶在前面板進行操作后產(chǎn)生一個事件，程序便會調(diào)用相應(yīng)事件處理程序進行處理。另一個循環(huán)監(jiān)視收到的命令數(shù)據(jù)，進行應(yīng)答或形成LabVIEW中用于同步交換數(shù)據(jù)的通知（Notifier）發(fā)給需要的子程序。這個循環(huán)同時負責處理緊急事件如緊急停止等。
3．4 不規(guī)則界面設(shè)計
LabVIEW標準生成矩形窗口，沒有很好的方法實現(xiàn)不規(guī)則窗口，給界面設(shè)計帶來一些限制，因此需要借助外部程序。微軟標配的user32.dll中函數(shù)SetLayeredWindowAttributes能使窗體中指定顏色部分變成透明。將VI前面板背景色作為參數(shù)傳給此函數(shù), 同時設(shè)置好VI的Window Appearance屬性，便能隱藏背景，顯示定制界面。圖8完成此外部函數(shù)的調(diào)用，圖9為不規(guī)則的登錄窗口顯示效果。
?
3．5 數(shù)據(jù)處理
3．5．1 數(shù)據(jù)分析及存儲
通過插入C語言、Matlab語言節(jié)點編制程序及調(diào)用LabVIEW數(shù)據(jù)分析模塊完成分析、模擬仿真功能。每種功能同樣以“插件”形式作為子功能存在于event case結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)完成一次檢測或分析后對ACCESS數(shù)據(jù)庫進行操作，過程大致與登錄系統(tǒng)相同,不再贅述。
3．5．2 作圖及動畫演示
普通要求的數(shù)據(jù)顯示調(diào)用LabVIEW提供的Plot Multi-XY模塊即可完成。此模塊接收一組數(shù)據(jù)包,每個包中含有一組坐標數(shù)據(jù),對應(yīng)一條將被繪制的曲線。特殊要求可通過自行編制畫圖程序完成。動畫演示部分通過自行編制畫圖程序在前面板的Picture容器中繪圖完成。被繪制的圖形是受控的可以運動變化的圖形。繪圖子程序根據(jù)主程序傳遞的參數(shù)計算并繪制應(yīng)顯示的圖形，參數(shù)不斷地改變從而形成顯示圖形的不斷改變，從而形成動畫。
繪圖過程如下:如圖10所示，程序初始化時,繪圖程序從BMP文件中讀取需要繪制的子圖像及背景。背景是靜止圖形,程序運行中一般不更新,子圖像是需要運動變化的圖像。讀取到的子圖像是一個個矩形圖像,和其他圖像拼接時會有互相掩蓋現(xiàn)象。將讀到的圖像進行掩碼處理使不需要的地方成為透明色，這時子圖像可以進行拼接。當需要繪圖時,主程序首先通過參數(shù)的形式告訴繪圖程序需要繪制的圖形情況,繪圖程序根據(jù)參數(shù)進行運算,將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成繪圖需要的具體參數(shù)，如運動點位置、子圖形大小等。在得到繪制圖形需要的所有參數(shù)后，程序?qū)D形按要求以不同角度貼到指定位置,同時調(diào)用函數(shù)直接繪制矩形圓形等圖形填充其他位置。由于LabVIEW中圖形以左上角為原點,x從左到右y從上到下增大,不方便位置運算,因此需要給繪圖子程序傳入Picture容器高度進行坐標系轉(zhuǎn)換。圖11為一次繪圖過程，通過多次類似過程，得到最終的圖形顯示在前面板上。
?
4 程序編譯執(zhí)行效果
程序脫離開發(fā)環(huán)境后運行效果理想，集成實現(xiàn)了多項測量功能，界面精美友好，在普通PC上運行流暢。圖12為程序整體編譯后的主程序界面。
本測量系統(tǒng)通過1臺普通PC機與PLC通信，利用PC機的靈活性，以較低的成本集成實現(xiàn)了多種測量子功能，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢，同時子功能以插件的形式存在，從而使得擴展空間非常廣大。本文介紹了應(yīng)用于測控系統(tǒng)的大型LabVIEW程序的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，使用了多線程、動畫等技術(shù)，完成了傳統(tǒng)儀器所沒有的功能，使一臺PC機變成了多功能測控中心。由此可見虛擬儀器具有十分強大的功能，必將得到更為廣泛的應(yīng)用。
參考文獻
[1] ?楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[2] ?National Instruments Corporation. LabVIEW development?guidelines, April 2003 Edition. Part Number 321393D-01
[3] ?National Instruments Corporation. LabVIEW Function and?VI reference manual, January 1998 Edition. Part Number?321526B-01.
[4] ?NORMA D. Using LabVIEW to Creat Multithreaded VIs?for Maximum performance and reliability[DB/OL].
?www.ni.com