1. 引言

大功率可编程直流电流源采用TI公司的TMS320F28335 DSP芯片作为控制器，要求输出电流幅值从0到200 A连续可调，波形调制方式有不调制、三角波调制、方波调制和正弦波调制4中可选方式，频率从0到20 Hz可调，且上位机需对输出电流波形实时显示。大功率可编程直流电流源的系统结构如图1所示。

上位机监控系统用于实现对电流源装置的编程控制，并对输出电流进行实时监测，让用户掌握装置的实时运行状况，并可根据需要选择不同的波形调制方式，对满足用户需求和装置安全运行具有重要意义。

LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一种程序开发环境，使用的是图形化编程语言G编写程序，产生的程序是框图的形式[1] 。LabVIEW囊括了各种仪器通信总线标准的功能函数，不仅提供数百种不同接口测试仪器的驱动程序，还支持VISA、SCIP和IVI等最新的程控软件标准，为用户设计开发不同的先进测试系统提供了软件支持[2] 。

本文针对大功率可编程直流电流源的控制要求，上位机与DSP控制器采用RS485工业通信总线进行通信，应用LabVIEW中的VISA节点，方便地设计了上位机监控系统的串口通信程序。

2. 调制算法设计

大功率可编程直流电流源要求输出电流的幅值和频率可调、波形可选，因此，可以将输出电流波形分解为4个特征参数：调制方式m，调制频率f，平均电流(直流分量)I_dc和调制幅值(交流分量)I_ac，如表1所示。

通过上位机对以上4个参数进行设定和选择，然后下发至DSP控制器，DSP根据这4个特征参数进行运算，产生输出电流的参考波形，最后通过DSP控制DC-DC变换器产生所需的输出电流。

四种调制方式下的输出电流参考值i_ref计算如下：

① 不调制(m = 0)

(1)

② 正弦波调制(m = 1)

(2)

③ 三角波调制(m = 2)

(3)

④ 方波调制(m = 3)

(4)

式中，T为调制周期：T = 1/f。

在数字控制系统中，常以固定采样频率f_s (或采样周期T_s)对输出波形进行定时计算和控制输出，需要将连续时间函数转换为离散时间函数。若用N表示一个调制周期内的采样控制次数，用n表示当前时间对应的离散时刻，则：

(5)

(6)

由式(1)~(6)可以得到该电流源的输出电流参考值计算流程，如图2所示。

3. DSP通信接口设计

F28335 DSP有3个串行通信(SCI)接口模块，SCI接收器与发送器具有独立的16级深度的FIFO，并且具有独立的中断控制位，可工作在半双工模式或全双工模式。为保证数据的完整性，SCI对接收的数据进行间断检测、奇偶性检测、超时检测及帧格式检测。SCI模块可通过16位的波特率控制寄存器设置多种波特率，以满足系统需求 [3] 。

表1. 特征参数

表2所示为上位机向DSP传递数据的报文格式，报文为8字节，包括启停命令(2字节)、调制方式m(1字节)、直流分量I_dc(1字节)、交流分量I_ac(1字节)、离散调制周期N(2字节)以及对前7个字节的校验和(1字节)。

4. 上位机通信平台设计

上位机的主要目的是：通过串口与DSP进行通信，向DSP发送控制指令，并监测装置的输出电流。图3为基于LabVIEW的上位机监控界面。

4.1. LabVIEW界面设计

上位机向DSP发送的控制指令包括：

① 启停命令：通过LabVIEW的布尔按钮控件向DSP发送“启动”和“停止”指令。

表2. 报文格式

② 调制方式：通过LabVIEW的枚举输入控件向DSP发送“调制方式”的设定指令。

③ 调制参数：通过LabVIEW的数值输入控件向DSP发送“平均电流”、“调制幅值”和“调制周期”的设定指令。

上位机的显示包括：

① 设备状态：通过LabVIEW的布尔指示灯控件显示设备的运行状态。“运行”指示灯由绿变红，表示装置开始运行；“故障”指示灯由绿变红，表示通信出现故障；“保护”指示灯由绿变红，表示设备处于异常保护状态。

② 输出电流：通过LabVIEW的波形图控件显示设备的两路输出电流波形，且能根据设定的不同调制周期完整显示1~2个周期宽度的波形。

4.2. LabVIEW程序设计

LabVIEW提供了丰富的仪器控制功能，支持VISA、SCIP和IVI等。在串口通信方面，串口通信使用的功能节点均为VISA节点。VISA是调用低层驱动器的高层API，本身不具备编程能力，使用之前需

要实现安装驱动[4] 。VISA子选板上包含了5个库函数和1个下一级子选板“高级VISA”，“高级VISA”中还有更多的高级函数可调用[5] 。本系统的数据通信是采用串口实现的，在通信时，通过VISA配置串口[6] ，将DSP控制器与上位机依照规定的通信协议：波特率、数据位、停止位、通信端口号、校验位等方面进行相应的配置，即可进行数据的传输。

如图4所示，上位机LabVIEW程序设计的基本流程是：设置好监控界面上的串口号、调制波形、平

均电流、调制幅值和调制周期后，点击“启动”按钮，首先对平均电流、调制幅值和调制周期的输入范围进行判断，满足条件后，以表2所示的报文格式向DSP发送控制指令(注意：在向DSP发送指令时需要将输入的十进制数字转换为字符串形式)，DSP接收到控制指令后进行和校验，一旦校验正确，立即向上位机返回字符串“RUN”表示接收成功，PC机接收到DSP返回的字符串“RUN”后，随即点亮监控界面上的“运行”指示灯(由绿变红)，接着DSP对装置的两路输出电流进行采样，每次对两路输出电流各采样200个数据，为了对两路电流进行区分，在采集到的两路电流数据前端分别加上01和02，同时

为了确保传输过程中数据的完整性和正确性，在每路电流数据的末端加上对前201个数据的校验和，那么DSP每次总共向PC机传输404字节的数据，PC机接收到这404个数据之后首先进行分组，然后对每组数据分别进行和校验，校验正确后将两组数据送至波形图控件进行显示(注意：PC机接收到的数据为字符串形式，在送至波形图控件前需将其转换为十进制数据)。

5. 运行结果

上位机监控系统设计完成后，与大功率可编程直流电流源进行了联机运行。运行条件为：直流分量I_dc = 60 A，交流分量I_ac = 20 A，调制周期为1 s。图5~图7分别对应调制方式为方波、三角波和正弦波

的实际输出电流和上位机监控波形，可以看出，监控系统是控制有效、监视准确的。

6. 结束语

本文针对大功率可编程直流电流源的控制要求，设计了基于LabVIEW的上位机监控系统，并给出了上位机LabVIEW程序设计的基本流程。上位机与DSP控制器通过RS485工业通信总线进行通信。装置的运行结果表明，通信安全可靠，操作简明，上位机能够对装置进行正确的启停控制，并能实时监控装置的输出电流。

参考文献