基于Modbus協(xié)議和MATLAB GUI的二自由度云臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控

肖倩，崔思柱，劉豐豪，楊愷迪，程石

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，西安710061）

0 引言

二自由度云臺(tái)是一種可遠(yuǎn)程控制攝像頭水平旋轉(zhuǎn)和俯仰角度調(diào)節(jié)的電動(dòng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于安防、工業(yè)、軍事、無人機(jī)航拍等領(lǐng)域。云臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行是保證其所搭載相機(jī)正常拍攝的基礎(chǔ)。因此，一個(gè)穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要，它不僅能保證設(shè)備溫度、電壓、電流在安全范圍內(nèi)，更能提高云臺(tái)的精確控制能力。如果監(jiān)測到云臺(tái)運(yùn)行異常，可以有針對性地及時(shí)處理，避免造成不必要的損失。

本文提出了一種基于MATLAB GUI的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[1]的設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)控系統(tǒng)通過Modbus協(xié)議將采集到的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)上傳至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并通過界面進(jìn)行控制，保證了云臺(tái)轉(zhuǎn)速控制的快速性、穩(wěn)定性，解決了云臺(tái)控制參數(shù)難以精確測量和控制的問題，具有實(shí)際的工程意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

云臺(tái)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)功能主要由兩部分實(shí)現(xiàn)：一部分是下位機(jī)對溫度、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、位置等信息的采集和控制；另一部分是利用MATLAB GUI實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控參數(shù)的控制操作、圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

圖1 云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)下位機(jī)

系統(tǒng)的下位機(jī)部分負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集工作，將位置、轉(zhuǎn)速、電流、電壓和溫度等待監(jiān)控模擬量信息采集并送入DSP的ADC模塊，將待監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理后，通過串行通信實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送回上位機(jī)進(jìn)行處理。驅(qū)控一體云臺(tái)控制器采用TMS320F28069 DSP作為主控芯片，片內(nèi)集成12位分辨率的16通道ADC轉(zhuǎn)換通道，非常適用于多模擬量采集系統(tǒng)。

下位機(jī)程序在CCS（Code Composer Studio）6.0集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，通過對各功能函數(shù)的編寫，然后進(jìn)行編譯、調(diào)試、生成.out文件，并下載到DSP中。

1.2 系統(tǒng)上位機(jī)

系統(tǒng)的上位機(jī)是基于MATLAB GUI界面的集M控制算法文件和Modbus通訊協(xié)議模塊為一體的實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過調(diào)用MATLAB內(nèi)置的serial函數(shù)，操作RS-232串口，并通過Modbus協(xié)議在云臺(tái)控制器與PC串口之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，主要包括以下幾個(gè)模塊：

（1）串口通信。與下位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（2）GUI界面。界面設(shè)計(jì)以及對監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行顯示并繪制動(dòng)態(tài)曲線和動(dòng)態(tài)模擬。

（3）監(jiān)控主程序和濾波算法。主要負(fù)責(zé)在回調(diào)函數(shù)中編寫控制云臺(tái)電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)動(dòng)角度及發(fā)送串口數(shù)據(jù)等功能的程序編寫，并通過濾波算法來消除偶然脈沖對監(jiān)控到數(shù)據(jù)的影響。

2 串行通信實(shí)現(xiàn)

2.1 MATLAB串口通信

MATLAB配置了串口通信API[2]，提供了對串口進(jìn)行打開、關(guān)閉，以及串口參數(shù)設(shè)置等操作的一系列函數(shù)。利用這些函數(shù)可以選擇串口號(hào)、設(shè)置串口通信參數(shù)（波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等）、進(jìn)行中斷控制、流控制。在配置控制器時(shí)，用戶需要選擇通信模式和串口的通訊參數(shù)，保證通信設(shè)備配置相同的通信模式和串口通訊參數(shù)。

建立函數(shù)的過程如下：

s=serial(‘com1’);%創(chuàng)建串口對象s,串口號(hào)為COM1

set(s,‘BaudRate’,9600,‘Parity’,‘even’,‘Stop?Bits’,1,‘DataBits’,8,‘TimerPeriod’,0.05);

%設(shè)置串口波特率為9600；偶校驗(yàn)，一位停止位，8位數(shù)據(jù)位；定時(shí)器周期為0.05s

2.2 Modbus通信協(xié)議

Modbus通訊協(xié)議[3]是一種主-從通訊機(jī)構(gòu)，是世界上第一個(gè)用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，它只定義了協(xié)議層，支持RS-232和RS-485電氣接口。常用的Modbus通訊協(xié)議有ASCII和RTU[4]兩種通信模式。一般來說，通訊數(shù)據(jù)量少且主要是文本的通訊采用ASCII模式，通訊數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制數(shù)值時(shí)，多采用RTU模式，綜合考慮，本系統(tǒng)選用Modbus RTU模式作為通信協(xié)議。

Modbus RTU模式中，數(shù)據(jù)以幀的方式進(jìn)行傳輸，通信指令以8位二進(jìn)制數(shù)的形式傳遞。當(dāng)通訊命令由發(fā)送設(shè)備（主機(jī)）發(fā)送至接收設(shè)備（從機(jī)）時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通訊命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息，如果CRC校驗(yàn)無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果（數(shù)據(jù)）返送給主機(jī)。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執(zhí)行后的數(shù)據(jù)以及CRC校驗(yàn)碼。如果CRC校驗(yàn)出錯(cuò)就不返回任何信息。

CRC-16校驗(yàn)碼多項(xiàng)式為X16+X15+X2+1，具體步驟如下：

unsigned int CRC16(unsigned char*Msg,unsigned int DataLen)%*Msg為待校驗(yàn)數(shù)據(jù)首地址，DataLen為待校驗(yàn)數(shù)據(jù)長度

{

unsigned char uchCRCHi=0xFF;

%高CRC字節(jié)初始化

unsigned char uchCRCLo=0xFF;

%低CRC字節(jié)初始化

unsigned int i; %CRC循環(huán)中的索引 while(Dat?

aLen--) %傳輸消息緩存區(qū)

{

i=uchCRCHi*Msg++;%計(jì)算CRC

uchCRCHi=uchCRCLo^auCRCHi[i];

uchCRCLo=auCRCLo[i];

}

return(uchCRCHi＜＜ 8|uchCRCLo);

}

3 MATLAB GUI設(shè)計(jì)

3.1 GUI界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循布局合理、清楚直觀、方便用戶操作等原則，具體的界面設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)的GUI界面[6]主要由監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)模擬模塊、故障診斷模塊、實(shí)時(shí)曲線繪制模塊等組成。

（1）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示與參數(shù)設(shè)置模塊。數(shù)據(jù)顯示面板主要將上位機(jī)采集到的溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、位置等信息顯示在GUI界面中，方便使用者進(jìn)行觀察；參數(shù)設(shè)置面板主要包含串口的設(shè)置、電機(jī)啟停開關(guān)和轉(zhuǎn)速的設(shè)定。

（2）實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)模擬及故障診斷模塊。由于云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)需要得知云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置，因此，用兩個(gè)表盤將云臺(tái)水平轉(zhuǎn)向和俯仰轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置以角度的形式動(dòng)態(tài)模擬出來。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，故障診斷模塊的error顯示“正常運(yùn)行”，當(dāng)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤發(fā)生次數(shù)達(dá)到一定值后，會(huì)在error區(qū)顯示哪個(gè)監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)行系統(tǒng)故障自診斷。

（3）實(shí)時(shí)曲線繪制模塊。曲線繪制模塊主要負(fù)責(zé)對云臺(tái)的水平實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、俯仰實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、水平電機(jī)相電流、俯仰電機(jī)相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過在MATLAB GUI中添加axes控件通過曲線繪制來顯示水平和俯仰方向的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)電流的動(dòng)態(tài)變化。在axes()函數(shù)中設(shè)置當(dāng)前曲線繪制坐標(biāo)，再調(diào)用set()函數(shù)完成曲線的繪制。

圖2 二自由度云臺(tái)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

3.2 參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

由該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控云臺(tái)的水平實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，俯仰實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，水平實(shí)時(shí)位置，俯仰實(shí)時(shí)位置，母線電壓，電路參考電壓，水平電機(jī)v相電流，水平電機(jī)u相電流，俯仰電機(jī)v相電流，俯仰電機(jī)u相電流，溫度等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用的是基于MATLAB GUI的平臺(tái)上編寫的上位機(jī)程序，其中有很多庫函數(shù)可以直接調(diào)用，因此編寫很方便、快捷。只需要在GUI面板中設(shè)計(jì)好界面，再在每個(gè)模塊中編寫相應(yīng)功能的回調(diào)函數(shù)即可。

3.3 濾波算法

為了濾掉信號(hào)經(jīng)過模擬電路時(shí)的那些偶然的脈沖波或者周期性波[8]，減小采集到信號(hào)的誤差，針對該監(jiān)控系統(tǒng)采用限幅濾波法，該濾波方法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。濾波程序如下：

/*A值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，Value為有效值，NewValue為當(dāng)前采樣值，濾波程序返回有效的實(shí)際值*/

#define FILTER.

int Filter()

{

int NewValue;

NewValue=Get_AD();

if(((NewValue-Value)＞ FILTER_A)||((Value-NewVal?ue)＞FILTER_A))

return Value;

else

return NewValue;

}

圖3 監(jiān)控程序流程圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)測試

4.1 通訊測試及結(jié)果

圖4 串口測試數(shù)據(jù)傳輸流程圖

為了測試監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信效果，利用MAT?LAB GUI制作了一個(gè)簡單的通信測試[5]界面，如圖5所示。監(jiān)控系統(tǒng)的串口測試流程圖如圖4所示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)的上位機(jī)可以和下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。當(dāng)通過監(jiān)測系統(tǒng)給下位機(jī)發(fā)送讀取水平轉(zhuǎn)速指令（01 03 00 00 00 01 84 0A）后，下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)（01 03 02 00 C8 B9 D2），其中00 C8為返回?cái)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制表示水平轉(zhuǎn)速為200rpm，通過測速儀測得水平電機(jī)的轉(zhuǎn)速為197rpm，結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)的通信正常。

4.2 監(jiān)控功能測試及結(jié)果

將上位機(jī)和下位機(jī)連接完畢，進(jìn)入測試程序，打開GUI監(jiān)控界面并打開串口，點(diǎn)擊開始監(jiān)控按鈕，監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示。

圖5 串口通信GUI測試界面

圖6 監(jiān)控功能測試界面

結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)可以將采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在面板上，且實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)模擬面板和實(shí)時(shí)曲線繪制面板均正常顯示，監(jiān)控系統(tǒng)各模塊工作正常。此測試為云臺(tái)在低速運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)基本上達(dá)到了所要實(shí)現(xiàn)的效果，監(jiān)測結(jié)果精確。

5 結(jié)語

本文基于MATLAB GUI的串口通信方法，以Mod?bus為基礎(chǔ)通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了二自由度云臺(tái)的參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。選用MATLAB GUI作為界面開發(fā)的工具是合適的，雖然其界面開發(fā)和數(shù)據(jù)采集的功能相對較簡單。但是，在一般的界面開發(fā)和普通功能的串口通信開發(fā)中，GUI的控制算法寫在M文件中，便于使用人員進(jìn)行修改，且GUI組件使用方便快捷，編程簡單易懂，很方便新手學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該GUI監(jiān)控系統(tǒng)界面豐富、功能完善，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。