摘要

合肥聯(lián)信電源有限公司的研究人員劉暉、李多山，在2018年第9期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，主要介紹了工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏及其實現(xiàn)應(yīng)急電源監(jiān)控的方法。詳細(xì)敘述了通過Modbus協(xié)議，實現(xiàn)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源數(shù)據(jù)傳輸，以及使用組態(tài)軟件進(jìn)行應(yīng)急電源監(jiān)控器界面的設(shè)計方法。

在許多重要場合都采用集中蓄電池式應(yīng)急電源供電。集中蓄電池式應(yīng)急電源采用逆變技術(shù)，將蓄電池的直流電能逆變成交流電能，提供給交流應(yīng)急負(fù)荷（如應(yīng)急照明燈、疏散指示燈具和消防泵等）使用。

集中蓄電池式應(yīng)急電源由電源監(jiān)控器、應(yīng)急電源主機(jī)、配電系統(tǒng)、充電器電池組、消防聯(lián)動裝置等組成，其中電源監(jiān)控器由顯示器、控制板及通信等組成。早期的顯示器通常采用LED數(shù)碼管、LCD液晶顯示屏，必須設(shè)計相應(yīng)的控制電路才能使用，而且功能簡單，顯示內(nèi)容少。

隨著液晶彩屏和觸摸屏的成本不斷下降，液晶彩屏和觸摸屏也逐步應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控顯示上。但彩屏和觸摸屏的驅(qū)動程序較為復(fù)雜，在一定程度上限制了彩屏和觸摸屏在應(yīng)急電源行業(yè)的應(yīng)用。

1  工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏簡介

工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏主要應(yīng)用在PLC工業(yè)控制領(lǐng)域，比如冶金、紡織、先進(jìn)制造系統(tǒng)和裝備控制等行業(yè)[2]。觸摸屏集成了CPU單元、輸入輸出單元、顯示屏、內(nèi)存等模塊單元，是開放性、高質(zhì)量的人機(jī)界面產(chǎn)品，一般都提供標(biāo)準(zhǔn)的串行接口與其他設(shè)備相連。

工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏采用通用的工業(yè)自動化組態(tài)編輯軟件進(jìn)行界面的編程設(shè)計，該類型軟件是一種用于快速構(gòu)造和生成嵌入式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件，以窗口為單位，構(gòu)造圖形界面。用戶使用工業(yè)自動化組態(tài)畫面編輯軟件，只需要通過簡單的操作就可構(gòu)造自己的組態(tài)，從而把用戶從繁瑣的編程中解脫出來。

2  基于工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏的應(yīng)急電源監(jiān)控器

實現(xiàn)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏在應(yīng)急電源的應(yīng)用，主要進(jìn)行兩方面的設(shè)計：①實現(xiàn)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源的數(shù)據(jù)傳輸；②應(yīng)用組態(tài)軟件完成（HMI）觸摸屏的人機(jī)界面設(shè)計。

2.1工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源的數(shù)據(jù)傳輸

只有實現(xiàn)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源的數(shù)據(jù)傳輸，才能實現(xiàn)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏實時顯示應(yīng)急電源的信息。工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏的通信方式主要是串行通信，支持與當(dāng)今市面上主流PLC通信，如三菱Mitsubishi，西門子Siemens，歐姆龍OMRON，莫迪康Modicon，Modbus等。設(shè)計時，選用Modbus協(xié)議作為工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源通信的協(xié)議[5]。

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，其已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議定義了消息結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的公共格式。協(xié)議內(nèi)容包括控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域[3]。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。Modbus協(xié)議的RTU模式多采用CRC校驗，軟件實現(xiàn)RTU的CRC校驗有多種方法，一般常用的是查表法和計算法，但是都存在一定的運(yùn)行速度，并占用程序時間。

應(yīng)急電源控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407芯片和SVPWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行逆變控制，算法較為復(fù)雜，內(nèi)容涉及非線性運(yùn)算、求解陣矩方程等，所以實時y運(yùn)算要求很高，由于Modbus協(xié)議中CRC校驗算法較復(fù)雜，且芯片中不含內(nèi)置的CRC算法模塊[6]，如果在應(yīng)急電源控制芯片的串口通信中加入復(fù)雜的CRC校驗算法，將影響SVPWM調(diào)制控制技術(shù)的實時性，所以，在工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏與應(yīng)急電源的數(shù)據(jù)傳輸方式中，增加通信轉(zhuǎn)換板作為通信中繼。

設(shè)計中選用STC15W系列單片機(jī)，利用其2個USART接口，設(shè)計雙RS485串口，RS485-1與TMS320LF2407芯片的RS485口進(jìn)行普通和效驗通信，RS485-2與觸摸屏進(jìn)行ModbusRTU協(xié)議的數(shù)據(jù)通信[4]。

在觸摸屏與應(yīng)急電源的通信轉(zhuǎn)換板的通信方式中，Master端為監(jiān)控觸摸屏，Slave端為應(yīng)急電源的通信板。Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端，以響應(yīng)請求。

在Modbus通信協(xié)議中，有許多功能碼[1]，設(shè)計時采用03功能碼實現(xiàn)Master端取得Slave端的模擬量。采用01功能碼實現(xiàn)Master端取得Slave端的開關(guān)量，Master端接收到Slave端數(shù)據(jù)，觸摸屏將應(yīng)急電源的參數(shù)按照數(shù)據(jù)定義，通過監(jiān)控觸摸屏，將參數(shù)顯示出來。

參數(shù)傳輸定義如下。

1）監(jiān)控觸摸屏發(fā)送命令：[通信板地址][命令號03][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

例如：[01][03][00][00][00][04][CRC低][CRC高]

2）應(yīng)急電源的通信板參數(shù)返回：[通信板地址][命令號03][返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]…[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

例如：

[01][03][08][02][2B][00][00][00][64][02][2B][CRC低][CRC高]

意義如下。

（1）返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1,2,…,n中的n的值。例子中返回了4個模擬量的數(shù)據(jù)，因為一個模擬量需要2個字節(jié)所以共8個字節(jié)。

（2）數(shù)據(jù)1,…,n：其中[數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位，[數(shù)據(jù)3][數(shù)據(jù)4]是第2個模擬量的高8位和低8位，以此類推。

例中定義為[數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]：直流電壓。[數(shù)據(jù)3][數(shù)據(jù)4]：市電電壓。[數(shù)據(jù)5][數(shù)據(jù)6]：應(yīng)急電壓。[數(shù)據(jù)7][數(shù)據(jù)8]：輸出電流。

3）監(jiān)控觸摸屏發(fā)送命令：[通信板地址][命令號01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]。

例如：[01][01][00][00][00][08][CRC低][CRC高]

4）應(yīng)急電源的通信板參數(shù)返回：[通信板地址][命令號01][返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]…[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

例如：[01][01][01][08][CRC低][CRC高]

意義如下：

（1）[01]返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1,2,…,n中的n的值。

（2）[08]：數(shù)據(jù)

第1位過流；第2位電池欠壓；第3位電池過壓；第4位模塊故障；第5位強(qiáng)制狀態(tài)第6位充電器故障；第7位輸出狀態(tài)；第8位應(yīng)急狀態(tài)。

2.2觸摸屏的人機(jī)界面設(shè)計

1）組態(tài)軟件的功能

觸摸屏的畫面開發(fā)系統(tǒng)采用組態(tài)軟件，組態(tài)軟件的功能一般包括：標(biāo)題欄、菜單條、工具按鈕、工程管理器、狀態(tài)欄等，如圖1所示。在可視觸摸屏顯示畫面中，文字屬于組態(tài)軟件文本功能，功能鍵屬于組態(tài)軟件按鍵功能，數(shù)據(jù)顯示屬于組態(tài)軟件數(shù)據(jù)顯示功能，背景屬于組態(tài)軟件靜態(tài)圖片功能。

圖1組態(tài)軟件的功能塊

2）數(shù)據(jù)顯示與報警

在觸摸屏中顯示應(yīng)急電源的參數(shù)是組態(tài)軟件數(shù)據(jù)顯示功能實現(xiàn)的，如圖2所示。監(jiān)視地址指向通信協(xié)議中的通信板地址、命令號03、數(shù)據(jù)位置，數(shù)據(jù)類別、顯示類別、外形、顏色等通過可視、模塊化簡單操作即可完成數(shù)據(jù)顯示功能的設(shè)定。

圖2數(shù)據(jù)顯示功能圖

在觸摸屏中應(yīng)急電源的報警信息是通過組態(tài)軟件報警顯示器功能實現(xiàn)的。報警顯示器功能圖如圖3所示，地址輸入指向通信協(xié)議的通信板地址、命令號01、數(shù)據(jù)位置，不同受控位對應(yīng)不同報警信號。

圖3報警顯示器功能圖

通信參數(shù)在開發(fā)系統(tǒng)的組態(tài)軟件中通信口設(shè)定對話框進(jìn)行設(shè)置，包括通信口的名稱、通信方式、連接口、通信協(xié)議等。在通信參數(shù)設(shè)置中通信波特率、數(shù)據(jù)長度、停止位、校驗均可設(shè)置，并可以設(shè)置可視觸摸屏和主機(jī)通信板的地址、通信時間等。通信口參數(shù)設(shè)置分別如圖4、圖5所示。

圖4通信口屬性設(shè)置圖

圖5通信口參數(shù)設(shè)置圖

3）界面參數(shù)設(shè)計

組態(tài)軟件采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，在編輯觸摸屏監(jiān)控界面，可以方便地建立畫面的圖形接口，構(gòu)圖時可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對象完成畫面的生成。同時支持畫面之間的圖形對象拷貝生成，可重復(fù)使用以前的開發(fā)結(jié)果。編輯的應(yīng)急電源監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6應(yīng)急電源監(jiān)控界面

結(jié)論

基于工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏的應(yīng)急電源監(jiān)控器，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用，與以往的應(yīng)急電源監(jiān)控器相比，性能有很大的提升。按照通用串口通信協(xié)議設(shè)計應(yīng)急電源通信軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏和應(yīng)急電源通信的方法，可以應(yīng)用到含通用串口通信協(xié)議的不同品牌工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏。

直接應(yīng)用高度集成化的工業(yè)人機(jī)界面（HMI）觸摸屏作為應(yīng)急電源監(jiān)控顯示，減少了應(yīng)急電源產(chǎn)品軟、硬件的設(shè)計難度，降低了設(shè)計成本，提高了監(jiān)控自動化程