摘 要：风电场环境监测是风电场运行与管理、风电场选址的必要条件，同时也是风能预判断和评估的有效依据，因此进行风电场环境监控设计具重要意义。风电场环境监测主要是对风电场的风向、温度、风速、湿度等环境参数进行监控与采集，并且将采集到的数据传输到管理中心进行备档记录。风电场环境监测设备由气象传感器、RS485通讯、LabVIEW组成，终端处理器为DSP28335，通讯采用基于MODBUS协议的RS485总线的串口系统，利用LabVIEW软件创建标准控件来建立通讯程序，最终完成上位机对下位机的实时监控。通过创建的实验平台，验证了研究的可行性。
关键词：DSP28335；环境信息采集；LabVIEW；RS485通讯
DOIDOI：10.11907/rjdk.151988
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2015）012-0086-04
1 系统结构
采用DSP28335作为主要处理器，风电场环境参数通过传感器转化为电信号送入DSP28335，接收到信息后，启动AD转换模块将电压模拟信号转换为数字信号放到指定的储存空间，然后调用串口控制寄存器将处理过的数字信号。通过RS-485串口通信传输到上位机（PC机），由PC机进行全局管理，实现数据的监测与历史查询。其硬件结构如图1所示[1-6]。
图1 硬件组成
2 风场气象数据采集终端
通过传感器采集风向、风速等气象数据，再将转换为电信号传输到处理器。所以传感器是采集气象数据重要的窗口，直接决定了气象数据采集、实时跟踪外部气象环境变化的准确性。并不是所有传感器都适合在风电场环境中使用，在选择传感器的探测精度和运行环境要求时要根据《风电场风能资源测量方法》，以GB/T18709-2002国家标准来选择风电场内使用的传感器型号。根据数据采集指标表的性能要求及综合价格等因素，本文采用LM35温度传感器、BTR/DH-T11湿度传感器、HL-FS2风速传感器、GC-FX风向传感器[1，6]。
2.1 采集信号调理电路硬件设计
风电场环境参数信号经过调理电路转换为0～3V直流信号，实时准确地得到电压、电流信号，采样电路输出信号必须要有足够的驱动能力。因此采用LM358构成调理电路以提高采样电路输出信号的驱动能力和抗扰动能力，调理电路如图2所示。
图2 调理电路
2.2 信号采集软件设计
硬件调理电路使气象传感器所采集的模拟信号在送入处理器之前进行有效放大和还原处理，并最终将其转换为数字信号送入上位机。但由于传感器精度和设计原因，传感器对外界的变化受到很多自然因素的干扰，使其采集数值会出现突然波动。在这种情况下使用硬件电路会比较复杂，因此采用软件去杂的方法。解决方法是在采集到的模拟信号转换成数字信号后先不发送而是将它储存起来，在采到连续15个数字信号后对这15个数字取平均值计算，最后再将结果送至串口寄存器中，发送到上位机。图3为软件调理流程图。
图3 采集信号流程
3 串口通信
由于RS485的硬件电路设计简单、传输误差率低、价格便宜、性能强劲、程序编写简单、传输距离较远、抗干扰能力强等优点，所以一般将PC机上的RS232接口转换成RS485总线形式进行通讯。
3.1 RS485转换原理
DSP28335在与PC上位机进行串口通讯时需要满足逻辑信号一致的条件。在此过程中，必须使用转换电路将RS-232与RS-485两种电气特性不同的接口进行转换才能使系统正常通讯，否则由于信号不匹配，在信号传输时导致各种错误。如图4所示，RS-485串口通信使用差分信号传输方式，由两条线A和B组成通信总线，PC机上的RS-232串口与RS-485串口，经由转变模块转变后，变为标准的RS485电平。
图4 总体系统框架
3.2 RS485转换硬件电路
系统中，采用PC机作为上位机，DSP28335作为下位机，两者通过 RS-232转RS-485接口实现通讯，下位机与上位机之间使用RS485总线通讯形式进行可靠的通信传输，因此需设计两者之间的硬件转换电路。
（1）下位机RS-485通信接口设计。下位机接口电路采用MAX485芯片来传输驱动RS485总线，R3作为阻抗匹配电阻使用，主要作用是减少信号的反射，电阻R3与快速恢复二极管D1、D2以及稳压管D3起到保护电路和防外界干扰的作用。
（2）上位机RS-232与RS-485转换电路设计。RS-232与RS-485转换电路由232、485电平与电源转换电路3部分组成，如图5示。电源部分不需要独立的电源来供电，PC机串口的DTR（4脚） 和RTS（7脚）也会得到供给，但在负载较多时，要在VCC和GND引出端外接一个电源，才能使电路正常工作。
图5 上位机接口电路
MAX485的TXD与RXD状态切换由上位机RS-232串口的端口TXD线和MAX232的通道2以及反相器共同决定，两个电阻R1、R2与三极管Q1共同构成了反相器，当下位机发送数据时，MAX232的9脚输出的是高电平，经反相器Q1倒相之后，使MAX485的接收能端（RE）和发送能端（DE）的引脚变低，电平MAX485芯片处于数据接收状态。当上位机发送信号时，MAX232芯片的R2in脚输出的是“0”，经反相器Q1倒相后，使MAX485的RE和DE引脚变为高电平，同时让它处于数据发送状态，使其能切换数据流向[16]。
3.3 RS485总线通讯软件设计
下位机与主机（PC机）之间的通讯由主机（PC机）发送地址位给下位机，与从机取得联络后再发送数据信号与之互通。软件系统设计以PC机作为上位机，使用人机界面LABVIEW编程软件中的VISA虚拟串口与DSP28335进行数据传输与接收，PC机在接收时需要辨别接收到的是数据信息还是地址信息，由VISA虚拟串口中的奇偶校验位来验证。下位机通信流程如图6所示。
4 风电场环境监测系统操作界面设计
4.1 LabVIEW串口设置
虚拟仪器软件体系结构（VISA，Virtual Instrument Software Architecture）使用通用I/O接口标准，不是面向总线接口，同时它还具有硬件接口和特定的计算机无关的属性，在控制GPIB，VXI，RS232仪器可以忽略总线接口类型。
串口程序框图如图7所示，图中Functions Instrument I/O VISA Advanced Interface Specific是串口通讯调用函数。该函数的作用是初始化，调用此函数的具体方法为：
图6 下位机通信流程
图7 串口程序框架
VISA resource name： VISA资源名称，在这里指串口号。
Baud rate：波特率，默认为9 600。
Data bits：一帧信息中的位数，LabVIEW中允许5～8位数据，默认值为8位。
Stop bits：一帧信息中的停止位位数，可为1位、1位半或2位。
Parity：奇偶校验设置。可谓无校验、奇校验或偶校验。
Flow control：该参数数据类型为簇，用于串口通讯中的握手方式。
VISA Write模块将Write buffer中的字符串写入指定的设备。返回实际传送的字节数。VISA Read根据指定读取的字节数读取设备中的数据，返回实际传送的字节数。VISA Close关闭与指定设备的通讯过程，释放系统资源。本文在实现LabVIEW与DSP28335单片机串口通信的串口通讯设置上，采用波特率为9600，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位[19]。
4.2 窗体界面设计
LabVIEW中的前面板是图形化用户界面，用于设置数值输入和输出量观察。以DSP28335实现环境信息监测为例，设计了LabVIEW串口设置及HMI界面，如图8所示。通过设置与DSP28335串口通信匹配的波特率、串口号、数据位和停止位，实现LabVIEW与DSP28335串口通信。
图8 主程序框图
当调试开始时，通过VISA Write向单片机发送“发送请求命令”，但是上位机软件即LabVIEW ，串行通信子V1只允许对字符串类型数值的读写，所以在处理数据时必须将数字转换为字符串，可以使用字符串到数字的转换函数来实现，传输的数据转换成十六进制格式，并在LabVIEW的字符串直接进制显示，不需要添加字符转换函数。上位机将处理后的数据输送到下位机中，从而实现上、下位机的整个通讯过程。基于LabVIEW实现的窗体界面预览窗口如图9所示。
5 结语
本文环境监测成功地完成了4个气象数据的采集和通讯，实现了风电场环境监控和数据采集功能。在此基础
上，该设计能够成功保存数据信息，实现历史数据查询，可对数据进行运算处理，还能将采集到的数据通过人机界面进行图表处理，可以清晰呈现所采集到的数据。
图9 窗体界面预览窗口
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（责任编辑：陈福时）