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、通信技術和自動控制技術結合在一起的自動控制設備，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 結合起來應用于工程實踐，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、內部結構復雜，以及其惡劣的工作環(huán)境決定了不適合在裝置內部安裝普通計算機，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動電機等。遙控端選用普通計算機，作用主要是負責讀取PLC 中模型裝置的相關動態(tài)數據并進行相關運算、根據具體工作模式給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 軟件可方便實現數據采集和信號處理，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無線電臺，并以無線電臺為橋梁實現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)展有限公司生產的 FC211LP 微功率無線數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 的調制方式，采用高效信道編碼技術，提高了數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力。其傳輸性能優(yōu)良，接口多樣，且設置使用方便，共提供三種內部接口方式：TTL/RS232/RS485，并提供透明的數據接口，接口波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，空中波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，用戶均可根據實際需要進行設置。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，進行相關設置即可使用。在這個編程軟件中，可以讀取電臺當前設置，也可以改變信道、空中頻率以及端口等的相關設置。由于PLC 與LabVIEW 之間數據傳送是雙向的，所以兩個電臺的設置應當完全一致。

3.2 LabVIEW 與PLC 的串口通信

利用串口實現 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 是應用于儀器編程的標準I/O 應用程序接口，它本身并不具有儀器編程能力，VISA 是調用底層驅動器的高層API。第二種方法是利用標準串口通信函數進行串口通信。LabVIEW 中提供了幾個標準的串口通信函數，包括串口初始化函數、數據寫入串口函數、從串口讀出數據函數以及關閉端口函數等。這兩種方法雖然都可是實現LabVIEW 與PLC 的串口通信，但是前提是程序設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，并且還需要設置相關的參數以及出錯處理等，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 助手可幫助程序設計人員輕松完成串口通信相關參數的設置，并實現與相關設備的串口通信。下面就以LabVIEW 與PLC 的串口通信為例說明如何利用I/O 助手實現串口通信。

I/O 助手可以選擇不同的設備端口，設定延遲時間以及定義接收和發(fā)送時結尾字符。由于LabVIEW 與PLC 的串口通信是應答式的，并且設計中以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 進行讀或寫，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據。設置好的設置界面如圖2 所示。



松下公司的 PLC 串口通信格式是采用MEWTOCOL 協議，所以還要根據其協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 中寫數據為例，如果要向PLC的DT600 到DT603 四個數據單元中分別寫入數據100、200、300、400，則輸入字符串，即控制命令字符串應為“%01#WD00600006036400C8002C019001CR”，其中CR 為校驗碼，控制命令字符串中的4 個數據項應當都為16 進制數據。命令字符串的組成可以通過LabVIEW提供的相關函數來完成，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 中的相關函數來編寫。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”中的相關項，連接完成后如圖4 所示。


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

假設PLC 中這幾個寄存器中的數據分別為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，以便得到相應的數據，分解子VI 程序如圖5 所示。



因采用的是應答式串口通信，當數據量很大時，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確率，在距離較遠的情況下，需要適當調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。當通信的數據量較大，可采用數據分組的方法，將所有要交互的數據分成若干組，讓那些實時性要求很高的數據在每一組數據中都出現，而其他數據分布再不同的組中，但每一組的數據總量要適中，程序在每一次循環(huán)內只分別對一組數據進行讀操作和寫操作，這樣會在很大程度上減少大量數據通信滯后帶來的一些問題。

四、結束語

本文介紹了利用無線電臺實現LabVIEW 與PLC 之間通過串口的無線通信的方法。這種方法已經在某無線遙控模型裝置上通過測試并得到應用。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LabVIEW 與PLC 的無線通信，不僅通信可靠，且簡單易行。