基于单片机的电机控制系统中上位机软件设计_刘超
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能简化 w indow s 的底 层知识 " 常见的可视化 编程软件有 i sualC + + , Java , V V i sualB asi" , La b view " 其 中 , V i sual C + + 和 Java 强大但不够 易用 , 不 适合非专业程序开发人 员使用 " L abview 比较 易用 , 但不够灵活 " V i su al B asie 在易用性和灵 活性 间取得一个 比较好的平衡 " 而 B o r l a nd 公司出 品的 D elPhi 7 相对于 V i sualB asie , 对于本次设计 , 功能 更加 强大而 且易用 " 其 一个 重要的特 点就是 , 使用 先进的 V LC (V i sualC om P onen t Li br娜 )进行可视化编程 , 强大 的 v L C 可 以使窗 口设计像 画图一样简单 " 本文所介 绍的上 位机软件设 计 , 充分利 用了这些 V L C , 节 省出大
信息供 上位机 软件使 用并 响应上位 机软件 的命令 " 电机
控 制是 一个实 时性要 求 比较 高的 系统 , 串 口通 信速 率相
2
设计思 路
单 片机 集成 的通信模块 常见 的有 U SB ! 以太 网 ! 异
对单片机 上M H z甚 至几十 M H z 的系统频率 , 是相 当慢 的 ,
利用不 当将严 重降低单 片机 的控制效 率 " 因此 单片机 服 务程序 应尽量减少对控制 系统 的影 响 " 首先 , 状态发送程序执行 的调 用 , 应避免 中断 , 至少
串 口接 接 收 中断 断
存储指 指 令信息 息
置 命令 令
其他模块 块
标 志位 位
图 2 单 片机 端服 务程 序流 程图
T H E W O R L D O F IN V E R T E R S
12 5
如 图 2 , 单片机发送状态信 息分为两种 " 一种发送周
为中断状态 , 一般要求打开中断 , 即设为 1 " 其初始化函
传入想要的控制指令 " 因此 , 设计一个电机控制系统专
用的上位机软件 , 利用计算机 强大信息处理与显示能力 , 与单 片机通 信 , 读取 电机控 制系统 中的各 种状态 , 同时 还可实现较为复杂的控制 , 是一件必要且有意义的事 "
3 单片机端服务程序设计
单 片机 端服 务程序 主要 完成 的任务 是发送 系统 状态
压等不能直接测量 , 需要增加额外的 转换 电路 , 得到的波形数据不够直接 需要进行转换 " 注意 到很多需要测量
要控制系统接收各种控制指令 , 如启
动 ! 停 止 ! 加 速 ! 减 速 等 " 系统 与
用 户交 互功 能一 般可 以通过 添加 额
外 的硬件 来 实现 , 如 用 液 晶屏连 接
计算机
上位机软件 显示与绘图 控制指令
块 棋 口 串 块 模 口 串
制 , 会 占用大量的单片机资源且容易造成 串口信息堵 塞 "
一 般电机的启动过程 为 5一 15 5 , 而 且单片机使 用的速度 ! 斩 波信息等 受到稳 定性 影响 , 采样滤波 计算 后变化 也不 可能太快 " 因此 10 0 m s 对于显示实时速度 ! P W M 信息已
使用设计的上位机软件对于提高系统调试质量 , 有明显的帮助 "
关键词: 电机控制 单片机通信 上位机软件 计算机辅助 模糊控制
A b s tr a c t : T h is P a P e r 石r st i n tr o d u e e d the b a e kg r o u n d a n d th e n e e d s of th e d e sig n o f P C sof w a re a P P lie d to m o to r e o n tro ls y ste m b a s e d o n sig le e h iP , re f t e r th a t by P r o P e rly u s i n g th e e o m m u n ie a ti o ns f u C t io n o f s in g l e eh i P a n d th e P ro e e s s i ng d i s P la y e a P a b il itie s o f e o m P u te rs , th e d e s i g n e d P C so f w t a re e a n re d u ee th e e o st o f s y ste m e o m m iss i o n in g a n d e n h a n e e th e
如 图 2 所示 "
开始
作 为非 专业 的程 序开发 人员 , 可能会基 本 的 C / C++
编程 " 但 w i n d o w s 环 境下编程 , 需要 用到大量 的 A P I ,
直接用 C / C 料 结合 W i n 3 2SD K 设计具有显示功能的软件 , 耗时耗 力且 没有 必要 " 因此 设计选 择的开 发工具 应尽量
2. , 通信方式的选择
步 串行通信 口 ( 简称 串 口 ), 其 中以串 口最 为普遍易用 " 从基本 的 C s l 系列 8 位单片机到本文试验所使 用的 犯 位 单 片机 M c F 5 2 1 3 , 都 集 成 了 串 口模 块 " 而 且 台 式机 电 脑 与工程 笔记本 一般 也设有 串 口端 口 , 对于 没有 串口的 笔 记本 则 可使 用 U SB 转 串 口线 " 串 口通 信速 率通 常 在 9600bps 到 一 15200bps 间 , 对于状态发送和指 令接收已经
数内部 的具体 内容随单 片机类 型不 同有较大 区别 , 不做
期为 l s , 单片机 已将系统状态信息格 式化 为文本字符串 , 上位机软件直接接收并显示 " 另一种发送周期为 10 0 m s, 使用 自设 的帧格 式 , 供上位 机软件 绘 图使 用 " 串 口模 块
sy s te m d e b u g g i n g e 角e i e n e y .T h e n s P e e i 们 a ll c y d e se ri b e s th e d e s ig n o f th e se r v i ee Pr o gr a m
o r th e s in g l f e e h iP a n d th e P C s o f w t a re f o r th e eo m P u te r. T h e d e s ig n in e lu d e s th e s ta te
th a t th e d e s i gned P C sof w ar t e c a n eom P l e te e x P e o t e d eo n tr o l a n d s ta tu s d is P lay fu n C t i o ns
and 1 5 heI Pfult o i m Pr o ve the syst em de buggi ng qua l i y. t
器 , 价格不菲 , 一般最 多也只能测量
统 当前 的运行状态 , 如 当前转速 ! 斩
波信 息 (PW M 占空 比 ) 等 , 同时 需
的硬件成本 " 而且有些指令与需要
获取 的状 态信息只在研 发阶段 需要 ,
没有必要增加相应硬件 " 用示波器作
四路输入信号 "而且 , 要测量系统的 各种状态 , 如速度 ! 相 电流 ! 输出 电
足够 " 系统 调试一般 为现场 调试 , 串口 巧m 的通信距 离 也满足 要求 " 因此 , 本 文选用 串 口作 为上位机 软件与 单 片机通信 的通信 方式 " 上位机 软件在 P C 端执行 , 通过串 口线 , 接 收单 片机
不是 高优先级 中断 " 因为 中断一般 用在实 时性要 求较高
经足够 "
电机控制系统
单片机
{ 状态发送
执行指令
2 2 设计 软 件的
选择
图 1 上位机与电机控制系统通信框图
最后 , 为了及时响应上位 机发 出的指 令 , 应设 置串 口 接 收中断 " 通 过合理 的 中断子程序 , 可提 高控 制效率和
稳定性 " 由上述要求 , 设计 的单片机端服务程序的基本流程图
K e y w o rd s : M o to r eo ntr o l Fuz y c o n tr o l Si n g le e h iP e o m m u n iea ti o ns P C sof w t a re C o m P u te r一 ai ded
[ 中图分类号1 TM301
量 时间精力用 于程序 的核心算 法设计 " 并 且 , D ol P h i 对
数据 库 网络 有 良好 的支持 , 对 以后 的远 程控 制扩 展 比较
有利 , D e l ph i 语 言严谨 易懂 , 其生 成的程序 可在 其他计 算机上独立执 行 l ][ ] " 2
集 成 了大量 模块 , 有 着强大通 信能 力 " 我们 只需合理 利 用单 片机 的通信功 能 , 将所 需的各种 状态 取出显示 , 并
inf o rm ati o n s e n d in g : re e e iv i n g , P ro e e ss in g a n d th e eo m m a nd m e s sa g e se n d in g , re e e iv i ng , e x e e u ti ng .A nd a w ay o f a n ti s i g n a l in te 而 re n ee 1 5 of e re d . L a s t e x P e rim e n ta l te sts s h o w
输出相 对灵 活些 , 如测量 当前转速 ,
可使 用 F那( 频率 / 电压 )转换 电路 ,
1 2 4 T H E W O R LD O F I NVER T ERS
的各种 状态 信息正 是系统 内部要 处理的信 息 , 即作 为系 统控 制 核心 的单 片机 内部存 有这 些信息 量 , 而且单 片机
基于单片机的电机控制系统中上位机软件设计
D esi g n of P C S of w t ar e A P P li e d to M o to r C o n tro l S y s te m B a s e d o n S in g l e e h iP
中国矿业大学信电学院 刘 超 谢方南
L iu C h a o X ie F a n g n a n
制子程序 " 其次 , 选择适 当的发送 间隔 " 在 电机正常运转时 , 主 循 环执行频 率仍然 很高 , 如果不 对信息 发送 间 隔加 以控
传 的状 态信 息 , 并通 过串 口向单片机 传输 指令 " 为单 片机 编写专 门的状 态信息发送服务程序和 指令处理 函数 "
如 图 1所 示 上 位 机 软 件 与 电机 控 制系统通信框 图 "
摘
要: 本文首先提出电机控制系统中设计上位机软件的背景和需求性 , 指出通过合理的利
用单片机的通信功能和计算机的显示处理功能将会降低电机控制系统的调试成本 , 提高调试
效率 " 接着具体介绍了单片机端的服务程序的设计细节和计算机端上位机软件设计细节 " 包
括状态信息的发送 ! 接收和处理 , 以及控制指令的发送 ! 接收和执行 , 并给出了一种抗信号 干扰的方法 " 最后通过实验测试表明, 设计的上位机软件能够完成预定的控制和状态显示功能 ,
的功能上 , 如测速中的时间计量 ! 用位置捕获进行换相 ,
它会暂 时中 断当前程序 段 的执行 " 通常 的电机控 制 中,
系统空 闲时会进 入主循 环 , 执 行一些 显示信 息和键 盘扫 描 等要 求实时性 不高 的程序 , 所以单 片机端 服务程 序应
放在主程 序循环 中 , 将 中断 留给其 他要求 实时性 高的控
[文献标识码I B
文章编号 1561一 0330 ( 2011)09一 0 124一 06
1
引言
电机 控制实验中经常需要获知系
单片机来输出信息 , 配合键盘矩阵
来输 入指 令 " 但 液 晶屏 与键 盘 矩 阵
会 占用大量 PC B 板 面积 , 增加 额外
将位置信号脉冲转换为电压信号输
送给示波器 "但是 , 较好的数字示波
信息供 上位机 软件使 用并 响应上位 机软件 的命令 " 电机
控 制是 一个实 时性要 求 比较 高的 系统 , 串 口通 信速 率相
2
设计思 路
单 片机 集成 的通信模块 常见 的有 U SB ! 以太 网 ! 异
对单片机 上M H z甚 至几十 M H z 的系统频率 , 是相 当慢 的 ,
利用不 当将严 重降低单 片机 的控制效 率 " 因此 单片机 服 务程序 应尽量减少对控制 系统 的影 响 " 首先 , 状态发送程序执行 的调 用 , 应避免 中断 , 至少
串 口接 接 收 中断 断
存储指 指 令信息 息
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其他模块 块
标 志位 位
图 2 单 片机 端服 务程 序流 程图
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12 5
如 图 2 , 单片机发送状态信 息分为两种 " 一种发送周
为中断状态 , 一般要求打开中断 , 即设为 1 " 其初始化函
传入想要的控制指令 " 因此 , 设计一个电机控制系统专
用的上位机软件 , 利用计算机 强大信息处理与显示能力 , 与单 片机通 信 , 读取 电机控 制系统 中的各 种状态 , 同时 还可实现较为复杂的控制 , 是一件必要且有意义的事 "
3 单片机端服务程序设计
单 片机 端服 务程序 主要 完成 的任务 是发送 系统 状态
压等不能直接测量 , 需要增加额外的 转换 电路 , 得到的波形数据不够直接 需要进行转换 " 注意 到很多需要测量
要控制系统接收各种控制指令 , 如启
动 ! 停 止 ! 加 速 ! 减 速 等 " 系统 与
用 户交 互功 能一 般可 以通过 添加 额
外 的硬件 来 实现 , 如 用 液 晶屏连 接
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上位机软件 显示与绘图 控制指令
块 棋 口 串 块 模 口 串
制 , 会 占用大量的单片机资源且容易造成 串口信息堵 塞 "
一 般电机的启动过程 为 5一 15 5 , 而 且单片机使 用的速度 ! 斩 波信息等 受到稳 定性 影响 , 采样滤波 计算 后变化 也不 可能太快 " 因此 10 0 m s 对于显示实时速度 ! P W M 信息已
使用设计的上位机软件对于提高系统调试质量 , 有明显的帮助 "
关键词: 电机控制 单片机通信 上位机软件 计算机辅助 模糊控制
A b s tr a c t : T h is P a P e r 石r st i n tr o d u e e d the b a e kg r o u n d a n d th e n e e d s of th e d e sig n o f P C sof w a re a P P lie d to m o to r e o n tro ls y ste m b a s e d o n sig le e h iP , re f t e r th a t by P r o P e rly u s i n g th e e o m m u n ie a ti o ns f u C t io n o f s in g l e eh i P a n d th e P ro e e s s i ng d i s P la y e a P a b il itie s o f e o m P u te rs , th e d e s i g n e d P C so f w t a re e a n re d u ee th e e o st o f s y ste m e o m m iss i o n in g a n d e n h a n e e th e
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开始
作 为非 专业 的程 序开发 人员 , 可能会基 本 的 C / C++
编程 " 但 w i n d o w s 环 境下编程 , 需要 用到大量 的 A P I ,
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2. , 通信方式的选择
步 串行通信 口 ( 简称 串 口 ), 其 中以串 口最 为普遍易用 " 从基本 的 C s l 系列 8 位单片机到本文试验所使 用的 犯 位 单 片机 M c F 5 2 1 3 , 都 集 成 了 串 口模 块 " 而 且 台 式机 电 脑 与工程 笔记本 一般 也设有 串 口端 口 , 对于 没有 串口的 笔 记本 则 可使 用 U SB 转 串 口线 " 串 口通 信速 率通 常 在 9600bps 到 一 15200bps 间 , 对于状态发送和指 令接收已经
数内部 的具体 内容随单 片机类 型不 同有较大 区别 , 不做
期为 l s , 单片机 已将系统状态信息格 式化 为文本字符串 , 上位机软件直接接收并显示 " 另一种发送周期为 10 0 m s, 使用 自设 的帧格 式 , 供上位 机软件 绘 图使 用 " 串 口模 块
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四路输入信号 "而且 , 要测量系统的 各种状态 , 如速度 ! 相 电流 ! 输出 电
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电机控制系统
单片机
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2 2 设计 软 件的
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图 1 上位机与电机控制系统通信框图
最后 , 为了及时响应上位 机发 出的指 令 , 应设 置串 口 接 收中断 " 通 过合理 的 中断子程序 , 可提 高控 制效率和
稳定性 " 由上述要求 , 设计 的单片机端服务程序的基本流程图
K e y w o rd s : M o to r eo ntr o l Fuz y c o n tr o l Si n g le e h iP e o m m u n iea ti o ns P C sof w t a re C o m P u te r一 ai ded
[ 中图分类号1 TM301
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数据 库 网络 有 良好 的支持 , 对 以后 的远 程控 制扩 展 比较
有利 , D e l ph i 语 言严谨 易懂 , 其生 成的程序 可在 其他计 算机上独立执 行 l ][ ] " 2
集 成 了大量 模块 , 有 着强大通 信能 力 " 我们 只需合理 利 用单 片机 的通信功 能 , 将所 需的各种 状态 取出显示 , 并
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输出相 对灵 活些 , 如测量 当前转速 ,
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基于单片机的电机控制系统中上位机软件设计
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中国矿业大学信电学院 刘 超 谢方南
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制子程序 " 其次 , 选择适 当的发送 间隔 " 在 电机正常运转时 , 主 循 环执行频 率仍然 很高 , 如果不 对信息 发送 间 隔加 以控
传 的状 态信 息 , 并通 过串 口向单片机 传输 指令 " 为单 片机 编写专 门的状 态信息发送服务程序和 指令处理 函数 "
如 图 1所 示 上 位 机 软 件 与 电机 控 制系统通信框 图 "
摘
要: 本文首先提出电机控制系统中设计上位机软件的背景和需求性 , 指出通过合理的利
用单片机的通信功能和计算机的显示处理功能将会降低电机控制系统的调试成本 , 提高调试
效率 " 接着具体介绍了单片机端的服务程序的设计细节和计算机端上位机软件设计细节 " 包
括状态信息的发送 ! 接收和处理 , 以及控制指令的发送 ! 接收和执行 , 并给出了一种抗信号 干扰的方法 " 最后通过实验测试表明, 设计的上位机软件能够完成预定的控制和状态显示功能 ,
的功能上 , 如测速中的时间计量 ! 用位置捕获进行换相 ,
它会暂 时中 断当前程序 段 的执行 " 通常 的电机控 制 中,
系统空 闲时会进 入主循 环 , 执 行一些 显示信 息和键 盘扫 描 等要 求实时性 不高 的程序 , 所以单 片机端 服务程 序应
放在主程 序循环 中 , 将 中断 留给其 他要求 实时性 高的控
[文献标识码I B
文章编号 1561一 0330 ( 2011)09一 0 124一 06
1
引言
电机 控制实验中经常需要获知系
单片机来输出信息 , 配合键盘矩阵
来输 入指 令 " 但 液 晶屏 与键 盘 矩 阵
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将位置信号脉冲转换为电压信号输
送给示波器 "但是 , 较好的数字示波