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。進(jìn)一步結(jié)合具體的應(yīng)用場景，設(shè)計了開發(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 28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度的項(xiàng)目設(shè)計的基礎(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)自動化以及測試測量系統(tǒng)的開發(fā)。

2023年，NI 被艾默生電氣（Emerson）收購。

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；
  • Vision Development Module ：機(jī)器視覺處理；
  • LabVIEW NXG ：新一代Web化設(shè)計工具。

詳見：[艾默生旗下測試和測量系統(tǒng) - NI] .

環(huán)境配置

下載并安裝最新完整版 [LabVIEW] ；

安裝時注意 VISA 串口驅(qū)動器的安裝，后續(xù)測試將調(diào)用該模塊。

工程設(shè)計

介紹了 LabVIEW 軟件工程創(chuàng)建與程序設(shè)計的流程，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）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)串口對應(yīng)的端口號，配置波特率等信息；
2. 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，自動打開串口；
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 自動化測試信息轉(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，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 Step（單次旋轉(zhuǎn)的角度）、最終需要的角度值 End 、延時 Delay 欄分別輸入對應(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，使用 LabVIEW 控制單片機(jī)驅(qū)動步進(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 完成

參考：[Power Meter Kits - Thorlabs]

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

參考：[平衡光電探測器] 、[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，光強(qiáng)信號的變化。

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)自動化數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目設(shè)計，包括面板設(shè)計、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)串口對應(yīng)的端口號，配置波特率等信息；
2. 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，自動打開串口；
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)行時點(diǎn)亮，靜止時熄滅）；
4. 連續(xù)運(yùn)行：
   (a)輸入步長、目標(biāo)角度、延時、文件保存路徑；
   (b)點(diǎn)擊 START 按鈕開始運(yùn)行；
   (c)實(shí)時顯示位置、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)自動數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目。

案例二：自動雨刷（自動撐傘裝置、自動澆水器、自動換水魚缸）

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)檢測到傳感器模擬信號變化或達(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)動目標(biāo)裝置，實(shí)現(xiàn)擺動、進(jìn)動、旋動、開關(guān)等操作，自動完成設(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。

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

結(jié)合其他應(yīng)用場景，有針對性地提出了工程設(shè)計思路與解決方案。

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

審核編輯 黃宇