何耀華，庫(kù)亞斌，李 奎，魏樂(lè)文

（1.現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，武漢430070）

駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)的重要安全系統(tǒng)之一，其調(diào)整質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎著汽車(chē)的駐車(chē)安全，影響著汽車(chē)的車(chē)輪阻滯力和燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)的調(diào)整方法是人工調(diào)整，全程利用人工憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率與調(diào)整精度低、難以進(jìn)行定量研究等缺點(diǎn)。近年來(lái)，基于人工調(diào)整工藝的自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。

現(xiàn)有的駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)多單獨(dú)采用PLC或者LabVIEW開(kāi)發(fā)[2]。PLC作為控制器，實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便，但卻難以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的接入，難以滿足生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)線檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求[3]。基于LabVIEW的虛擬儀器控制系統(tǒng)用戶界面友好，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作以及與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和上傳，但對(duì)電機(jī)的控制卻存在較高的延時(shí)性[4]。因此，駐車(chē)制動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中將基于LabVIEW的虛擬儀器控制系統(tǒng)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，采用兩者聯(lián)合控制的方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升系統(tǒng)的整體性能。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于上汽通用五菱整車(chē)生產(chǎn)線。

在駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中，為了方便測(cè)試員快捷地了解系統(tǒng)工作狀態(tài)，需要在LabVIEW的用戶界面同步顯示“準(zhǔn)備”、“測(cè)試中”、“合格”與“不合格”等各種指示燈的狀態(tài)以及實(shí)時(shí)力矩與檢測(cè)結(jié)果的數(shù)值。這就需要LabVIEW程序多次讀取PLC相應(yīng)軟元件的狀態(tài)。此外，為了防止下位機(jī)在誤操作情況下單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，出于系統(tǒng)的安全性考慮，下位機(jī)必須在上位機(jī)寫(xiě)入開(kāi)始命令后才可運(yùn)行。因此，有必要對(duì)LabVIEW與PLC的通信進(jìn)行深入研究，探索出高效、可靠的通信方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC軟元件數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。

1 駐車(chē)制動(dòng)裝調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

手制動(dòng)裝調(diào)系統(tǒng)的整體主要包括硬件部分和軟件部分。通過(guò)軟件程序?qū)﹄姍C(jī)等硬件的控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。利用力矩傳感器獲得最后的測(cè)量值并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷裝調(diào)是否合格。在調(diào)整過(guò)程中使用準(zhǔn)備、測(cè)試中、急停等指示燈顯示設(shè)備工作狀態(tài)。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分主要由LabVIEW和PLC構(gòu)成。他們之間的連接關(guān)系以及各自負(fù)責(zé)的主要功能如圖1所示。PC通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換模塊與PLC相連。RS-485的傳輸線路為正負(fù)兩根信號(hào)線，與RS-232相比，RS-485為半雙工工作模式，其信號(hào)由正負(fù)兩條線路信號(hào)準(zhǔn)位相減而得，為差分輸入方式，抗共模干擾能力強(qiáng)，抗噪聲干擾性好，數(shù)據(jù)傳輸速率高，實(shí)際傳輸距離可達(dá)1200 m，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的主從通信[5]。由于PC未加裝RS-485接口，因此使用轉(zhuǎn)換模塊使二者相連。該方法簡(jiǎn)單可靠，成本低。PC上使用LabVIEW平臺(tái)建立了裝調(diào)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，并與工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)相連，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和上傳。PLC部分負(fù)責(zé)了手制動(dòng)硬件系統(tǒng)部分的控制，其核心部分是電機(jī)的控制和指示燈的控制。期間，LabVIEW不斷地從PLC讀取和寫(xiě)入需要的參數(shù)，并將讀取的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 系統(tǒng)軟件部分構(gòu)成Fig.1 Software structure of system

2 串口通信的實(shí)現(xiàn)

串口通信程序的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)LabVIEW的串口配置相關(guān)函數(shù)以及PLC的串口通信協(xié)議。根據(jù)PLC的串口讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的格式，利用LabVIEW的串口通信函數(shù)將命令從發(fā)送區(qū)發(fā)送至PLC。PLC收到命令后作出回應(yīng)即可完成整個(gè)通信過(guò)程[6]。

2.1 PLC串口通信協(xié)議

本文采用PC級(jí)具有優(yōu)先權(quán)，PLC始終被動(dòng)響應(yīng)PC發(fā)來(lái)的命令的通信方式，選用的PLC為三菱FX2N型，系統(tǒng)采用其編程口專(zhuān)用通信協(xié)議[7]。

三菱FX系列PLC有4種通信命令，包括讀取命令、寫(xiě)入命令、強(qiáng)制開(kāi)命令和強(qiáng)制關(guān)命令[8]。它們的命令代碼以及可操作的對(duì)象如表1所示。其中X—輸入繼電器；Y—輸出繼電器；M—輔助繼電器；S—狀態(tài)元件；T—定時(shí)器；C—計(jì)數(shù)器；D—數(shù)據(jù)寄存器。

表1 通信命令Tab.1 Communication command

手制動(dòng)裝調(diào)系統(tǒng)中主要用到的命令為讀取命令和寫(xiě)入命令。一段完整的命令幀由控制字符STX（02H）、命令碼（CMD）、數(shù)據(jù)段、控制字符 ETX（03H）以及和校驗(yàn)碼五部分組成[9]。

PC讀出與寫(xiě)入軟設(shè)備值的命令幀都包括開(kāi)始標(biāo)志、命令、首地址、軟元件字節(jié)數(shù)、終止符、校驗(yàn)碼等幾部分。不同的是寫(xiě)入軟設(shè)備的命令幀在軟元件字節(jié)數(shù)和終止符之間多出了寫(xiě)入的數(shù)據(jù)這部分。它們的命令幀組成如表2和表3所示。PLC在接收到PC的請(qǐng)求之后，按照對(duì)應(yīng)的格式返回?cái)?shù)據(jù)。

表2 從PLC讀取數(shù)據(jù)的命令幀格式Tab.2 Command frame format for reading data from the PLC

表3 向PLC寫(xiě)入數(shù)據(jù)的命令幀格式Tab.3 Command frame format for writing data to the PLC

2.2 串口通信模塊程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW 編程中，系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件規(guī)范VISA實(shí)現(xiàn)串行通信[10]。其串口通信的主要步驟包括初始化端口、讀寫(xiě)端口和關(guān)閉端口。編寫(xiě)完成的程序如圖2所示。

圖2 串口通信模塊程序Fig.2 Serial communication module program

首先使用VISA配置串口函數(shù)，配置串口通信的端口號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位等參數(shù)。然后利用VISA寫(xiě)入函數(shù)和VISA讀取函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取。由于程序的運(yùn)行需要時(shí)間，中間加了延時(shí)器并利用屬性節(jié)點(diǎn)檢測(cè)讀取數(shù)據(jù)的位數(shù)。最后關(guān)閉串口釋放緩存。

由于在后續(xù)串口通信讀取與寫(xiě)入程序的編寫(xiě)過(guò)程中需要多次用到串口通信模塊程序，將串口通信模塊封裝成子VI，以方便程序的調(diào)用。此外為了提高程序的可移植性，利用輸入控件進(jìn)行串口參數(shù)的配置。這樣在使用不同的PLC時(shí)，可以直接改變參數(shù)的配置。

3 讀取與寫(xiě)入程序的設(shè)計(jì)

在串口通信模塊的基礎(chǔ)上，讀取與寫(xiě)入程序的編程首先要解決的問(wèn)題是發(fā)送區(qū)符合PLC通信協(xié)議的通信命令的編寫(xiě)。而根據(jù)PLC的通信協(xié)議，通信命令的關(guān)鍵是校驗(yàn)碼的計(jì)算。

3.1 校驗(yàn)碼的計(jì)算方法

和校驗(yàn)碼的計(jì)算需要根據(jù)PLC的通信格式來(lái)確定。它由命令碼（CMD）、數(shù)據(jù)段、控制字符ETX等三部分的ASCII相加的結(jié)果的最低兩位得到[11]。其中這里的數(shù)據(jù)段主要指變量數(shù)據(jù)和變量地址。由于變量數(shù)據(jù)和變量地址都是字符串格式，在程序編寫(xiě)過(guò)程中需要使用“截取字符串”函數(shù)將字符串的每一位截取出來(lái)并轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制。之后利用“復(fù)合運(yùn)算”函數(shù)將三部分的數(shù)值相加。最后截取出結(jié)果的最低兩位分別輸出即可。部分程序如圖3所示。

圖3 校驗(yàn)碼計(jì)算部分程序Fig.3 Check code calculation program

3.2 讀取與寫(xiě)入程序的設(shè)計(jì)方法

程序的整體運(yùn)行思路如圖4所示。利用Lab-VIEW的“順序結(jié)構(gòu)”先進(jìn)行PLC變量地址的轉(zhuǎn)換和校驗(yàn)碼的計(jì)算，然后按照通信協(xié)議分別確定發(fā)送區(qū)讀取與寫(xiě)入的通信命令，并按照通信格式使用“連接字符串”函數(shù)將命令的各部分連接。最后利用串口通信模塊完成通信。

圖4 程序的整體思路Fig.4 Overall idea of the program

其中，PLC的軟元件地址主要有X、Y、M、D四種。變量地址計(jì)算與轉(zhuǎn)換利用“條件結(jié)構(gòu)”對(duì)X、Y、M、D軟元件地址分別進(jìn)行。讀取與寫(xiě)入模式的選擇則是通過(guò)邏輯“0”與“1”的“下拉列表”輸入控件進(jìn)行選擇（讀取為0，寫(xiě)入為1）。不同軟元件的選擇也可以利用“下拉列表”函數(shù)實(shí)現(xiàn)。最終將程序封裝成子VI，方便駐車(chē)制動(dòng)程序?qū)Σ煌浽?shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入時(shí)的多次調(diào)用。封裝后的子VI程序如圖5所示。

圖5 讀取與寫(xiě)入子VI程序Fig.5 Reading and writing subVI programs

在使用時(shí)，首先設(shè)置程序是讀取模式還是寫(xiě)入模式，讀取為0，寫(xiě)入為1。點(diǎn)開(kāi)軟元件類(lèi)型下拉列表選擇需要讀取或者寫(xiě)入的軟元件類(lèi)型，然后輸入軟元件地址即可完成對(duì)對(duì)應(yīng)軟元件的操作。

4 駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證該串口通信程序在駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)中能否正常使用，使用該程序讀取控制“測(cè)試中”與“急停”指示燈的Y11與Y12軟元件的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用PLC點(diǎn)亮物理指示燈時(shí)，可以看到前面板的對(duì)應(yīng)虛擬指示燈同時(shí)亮起，如圖6所示。說(shuō)明該程序可以實(shí)現(xiàn)讀取功能。然后將控制PLC整個(gè)程序開(kāi)始運(yùn)行的M2寫(xiě)入邏輯“1”，發(fā)現(xiàn)PLC程序開(kāi)始運(yùn)行，駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)開(kāi)始工作。說(shuō)明該程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)軟元件的寫(xiě)入功能。

圖6 駐車(chē)制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)前面板Fig.6 Front panel of parking brake automatic adjustment system

由于該串口通信程序是獨(dú)立的子VI程序，且直接進(jìn)行串口通信參數(shù)的配置。所以，該程序可以便捷的移植到類(lèi)似LabVIEW與PLC聯(lián)合控制的系統(tǒng)中使用。具有很好的移植性。在需要多次讀寫(xiě)不同軟元件數(shù)據(jù)的編程過(guò)程中，可以直接調(diào)用該子VI，極大的提高了編程效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)PLC通信協(xié)議，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了串口通信模塊程序，實(shí)現(xiàn)了PC與PLC的通信。該方法簡(jiǎn)單可靠，節(jié)省了成本，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。在串口通信模塊程序的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了對(duì)PLC不同軟元件數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入子VI，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC軟元件的數(shù)據(jù)監(jiān)控。便于復(fù)雜程序的多次調(diào)用，且操作簡(jiǎn)單，提高了程序開(kāi)發(fā)效率；將通信程序應(yīng)用于手制動(dòng)裝調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果準(zhǔn)確可靠，驗(yàn)證了其實(shí)用性；基于LabVIEW編寫(xiě)的PLC通信子VI，只需要根據(jù)不同的通信協(xié)議更改其配置便可應(yīng)用于其他類(lèi)似系統(tǒng)，具有良好的移植性。便于其他以LabVIEW為基礎(chǔ)的PC與PLC聯(lián)合控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，具有很好的應(yīng)用前景。

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