步進(jìn)電機(jī)的 LabVIEW 控制與應(yīng)用

本文介紹了樹莓派 RP2350 開發(fā)板使用 LabVIEW 上位機(jī)串口發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī) 單步 和 連續(xù) 旋轉(zhuǎn)指定角度的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。進(jìn)一步結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了開發(fā)板與儀器的聯(lián)合調(diào)用、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的應(yīng)用案例。

項(xiàng)目介紹

在前面關(guān)于串口發(fā)送 json 指令使 RP2350 通過 ULN2003 驅(qū)動(dòng) 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度的項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用 LabVIEW 上位機(jī)串口發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度。

LabVIEW 介紹

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是 National Instruments（NI）公司開發(fā)的一種圖形化編程語言。主要用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、工業(yè)自動(dòng)化以及測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)。

2023年，NI 被艾默生電氣（Emerson）收購(gòu)。

關(guān)鍵組件

• 前面板（Front Panel）
  用戶交互界面，包含按鈕、圖表、指示燈等控件。
• 程序框圖（Block Diagram）
  圖形化編程區(qū)域，通過連線連接函數(shù)、結(jié)構(gòu)和子VI。
• VI（Virtual Instrument）
  LabVIEW程序的基本單元，每個(gè)VI包含前面板和程序框圖，可嵌套使用。
• 工具包與模塊
  • DAQmx ：數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)；
  • Vision Development Module ：機(jī)器視覺處理；
  • LabVIEW NXG ：新一代Web化設(shè)計(jì)工具。

詳見：[艾默生旗下測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng) - NI] .

環(huán)境配置

下載并安裝最新完整版 [LabVIEW] ；

安裝時(shí)注意 VISA 串口驅(qū)動(dòng)器的安裝，后續(xù)測(cè)試將調(diào)用該模塊。

工程設(shè)計(jì)

介紹了 LabVIEW 軟件工程創(chuàng)建與程序設(shè)計(jì)的流程，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)編寫、旋轉(zhuǎn)角度的串口發(fā)送、狀態(tài)顯示等。

1 單步控制

功能實(shí)現(xiàn)

• 串口發(fā)送 json 格式的角度值；
• 打印發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)至前面板；
• 顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)（靜止或運(yùn)動(dòng)）等。

前面板

程序框圖

功能實(shí)現(xiàn)

程序使用步驟

1. 選擇目標(biāo)串口對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，配置波特率等信息；
2. 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，自動(dòng)打開串口；
3. 輸入目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度值，點(diǎn)擊 Send 發(fā)送按鈕；
4. 字符面板顯示發(fā)送和接收的信息；
5. State 指示燈將在完成旋轉(zhuǎn)任務(wù)后（收到 OK）閃爍一次；

參考：[Labview 自動(dòng)化測(cè)試信息轉(zhuǎn)JSON字符串] 、[基于LabView開發(fā)的串口助手] 、[利用VISA進(jìn)行串口通信]

2 連續(xù)控制

在實(shí)現(xiàn)單步控制的基礎(chǔ)上，介紹了循環(huán)發(fā)送旋轉(zhuǎn)角度指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的控制。

子VI定義

為了方便連續(xù)控制并旋轉(zhuǎn)指定角度，采用模塊化設(shè)計(jì)，定義步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)子 VI 程序。

前面板

程序框圖

功能實(shí)現(xiàn)

1. 輸入端口：串口配置參數(shù) (波特率等)、步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度 velocity 和目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度 angle ；
2. 運(yùn)行程序；
3. 待檢測(cè)到串口反饋回 OK 字樣，表明任務(wù)執(zhí)行完畢；
4. 打印字符串，點(diǎn)亮 State 狀態(tài)指示燈。

連續(xù)運(yùn)行

利用模塊化設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)子 VI 程序，結(jié)合 while 循環(huán)實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)控制。

前面板

程序框圖

功能實(shí)現(xiàn)

1. 串口配置參數(shù) (波特率等)；
2. 運(yùn)行程序；
3. 單步運(yùn)行：
   • 輸入旋轉(zhuǎn)速度 velocity 和目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度 angle ；
   • 點(diǎn)擊 Go To 按鈕；
   • 待字符串面板顯示 OK ，完成單步運(yùn)行流程 .
4. 連續(xù)運(yùn)行：
   • 在步長(zhǎng) Step（單次旋轉(zhuǎn)的角度）、最終需要的角度值 End 、延時(shí) Delay 欄分別輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)值；
   • 點(diǎn)擊 START 按鈕，開始運(yùn)行程序；
   • Position 顯示當(dāng)前位置、loop 指示燈顯示連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)輸出提示字符串；
   • 待循環(huán)結(jié)束，到達(dá)目標(biāo)角度，loop 指示燈熄滅，表明連續(xù)運(yùn)行結(jié)束。
5. 點(diǎn)擊 Terminate 按鈕終止程序。

應(yīng)用案例

介紹了開發(fā)的 LabVIEW 上位機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 的應(yīng)用案例。

案例一：自動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置

實(shí)驗(yàn)中通常使用二分之一波片或中性密度濾光片（Neutral Density, ND）實(shí)現(xiàn)光束的強(qiáng)度和光功率的調(diào)節(jié)。

也可以通過旋轉(zhuǎn)起偏器或檢偏器實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的精細(xì)調(diào)節(jié)

參考：[二分之一波片的四種用法]

方案介紹

使用 LabVIEW 上位機(jī)通過串口向單片機(jī)循環(huán)發(fā)送指令，精確控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而機(jī)械驅(qū)動(dòng)波片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的精確控制。

介紹了兩種實(shí)現(xiàn)光功率調(diào)節(jié)的方案，分別是采用二分之一波片和 ND 濾波片的解決方案。

工作原理

介紹旋轉(zhuǎn)二分之一波片實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)控制的基本原理。

馬呂斯 (E. L. Malus) 定律

I = I_0cdot cos^2{theta}

結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，使用 LabVIEW 控制單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)波片，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的精確控制。

中性密度濾光片

ND 濾光片大致分為兩種

• 不連續(xù)變化

詳見：[Round, Step-Variable, Metallic Neutral Density Filters]

• 連續(xù)變化

詳見：[Round Continuously Variable Metallic Neutral Density Filters] .

兩種濾波片均可通過控制旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整光斑入射至 ND 的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的精確調(diào)控。

數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)室中的光強(qiáng)數(shù)據(jù)采集通常由 光敏探頭 結(jié)合 光功率計(jì) 完成

參考：[Power Meter Kits - Thorlabs]

或使用光電探測(cè)器(PD)、雪崩探測(cè)器 (APD)、光電倍增管 (PMT)、CCD 傳感器等。

參考：[平衡光電探測(cè)器] 、[光電倍增管] 、[雪崩光電二極管] 、[CCD]

這里使用混入噪聲的鋸齒波模擬旋轉(zhuǎn) ND 時(shí)，光強(qiáng)信號(hào)的變化。

項(xiàng)目工程

介紹了 LabVIEW 上位機(jī)聯(lián)合調(diào)用設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，包括面板設(shè)計(jì)、程序框圖、功能實(shí)現(xiàn)等。

前面板

程序框圖

功能實(shí)現(xiàn)

1. 選擇目標(biāo)串口對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，配置波特率等信息；
2. 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，自動(dòng)打開串口；
3. 單次運(yùn)行：
   (a)輸入目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度值；
   (b)點(diǎn)擊 Go To 按鈕，字符面板顯示發(fā)送和接收的信息；
   (c) Running 指示燈顯示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)（運(yùn)行時(shí)點(diǎn)亮，靜止時(shí)熄滅）；
4. 連續(xù)運(yùn)行：
   (a)輸入步長(zhǎng)、目標(biāo)角度、延時(shí)、文件保存路徑；
   (b)點(diǎn)擊 START 按鈕開始運(yùn)行；
   (c)實(shí)時(shí)顯示位置、循環(huán)狀態(tài)、提示字符串；
   (d)顯示數(shù)據(jù)與角度演化曲線；
   (e)運(yùn)行結(jié)束后，曲線數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至目標(biāo)路徑。
5. 點(diǎn)擊 Terminate 按鈕終止程序。

效果演示

參數(shù)配置完成后點(diǎn)擊 START 按鈕運(yùn)行程序

數(shù)據(jù)保存樣式

至此完成了 RP2350 開發(fā)板結(jié)合 LabVIEW 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目。

案例二：自動(dòng)雨刷（自動(dòng)撐傘裝置、自動(dòng)澆水器、自動(dòng)換水魚缸）

結(jié)合雨滴傳感器、土壤濕度傳感器、水位傳感器、光強(qiáng)傳感器等，當(dāng)檢測(cè)到傳感器模擬信號(hào)變化或達(dá)到閾值，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)力矩傳遞和機(jī)械驅(qū)動(dòng)目標(biāo)裝置，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)、進(jìn)動(dòng)、旋動(dòng)、開關(guān)等操作，自動(dòng)完成設(shè)定任務(wù)。

總結(jié)

本文介紹了 DFRobot Beetle RP2350 開發(fā)板使用 LabVIEW 上位機(jī)串口發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī) 單步 和 連續(xù) 旋轉(zhuǎn)指定角度的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了開發(fā)板與儀器的聯(lián)合調(diào)用、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的應(yīng)用案例。

結(jié)合其他應(yīng)用場(chǎng)景，有針對(duì)性地提出了工程設(shè)計(jì)思路與解決方案。

上述系統(tǒng)性的測(cè)試為電機(jī)驅(qū)動(dòng)等相關(guān)類似項(xiàng)目提供了新思路，也為該型號(hào)開發(fā)板的應(yīng)用提供了具有 LabVIEW 上位機(jī)控制的一系列有價(jià)值的參考。

審核編輯 黃宇