步進電機的 LabVIEW 控制與應用

本文介紹了樹莓派 RP2350 開發(fā)板使用 LabVIEW 上位機串口發(fā)送指令，實現(xiàn)步進電機 單步 和 連續(xù) 旋轉(zhuǎn)指定角度的項目設(shè)計。進一步結(jié)合具體的應用場景，設(shè)計了開發(fā)板與儀器的聯(lián)合調(diào)用、進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集的應用案例。

項目介紹

在前面關(guān)于串口發(fā)送 json 指令使 RP2350 通過 ULN2003 驅(qū)動 28BYJ-48 步進電機旋轉(zhuǎn)指定角度的項目設(shè)計的基礎(chǔ)上，使用 LabVIEW 上位機串口發(fā)送指令，實現(xiàn)步進電機旋轉(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，實現(xiàn)上位機編寫、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)（靜止或運動）等。

前面板

程序框圖

功能實現(xiàn)

程序使用步驟

1. 選擇目標串口對應的端口號，配置波特率等信息；
2. 點擊運行按鈕，自動打開串口；
3. 輸入目標旋轉(zhuǎn)角度值，點擊 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進行串口通信]

2 連續(xù)控制

在實現(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，進而實現(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，定義步進電機旋轉(zhuǎn)子 VI 程序。

前面板

程序框圖

功能實現(xiàn)

1. 輸入端口：串口配置參數(shù) (波特率等)、步進電機的旋轉(zhuǎn)速度 velocity 和目標旋轉(zhuǎn)角度 angle ；
2. 運行程序；
3. 待檢測到串口反饋回 OK 字樣，表明任務執(zhí)行完畢；
4. 打印字符串，點亮 State 狀態(tài)指示燈。

連續(xù)運行

利用模塊化設(shè)計的旋轉(zhuǎn)子 VI 程序，結(jié)合 while 循環(huán)實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)控制。

前面板

程序框圖

功能實現(xiàn)

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

應用案例

介紹了開發(fā)的 LabVIEW 上位機步進電機控制系統(tǒng) 的應用案例。

案例一：自動數(shù)據(jù)采集裝置

實驗中通常使用二分之一波片或中性密度濾光片（Neutral Density, ND）實現(xiàn)光束的強度和光功率的調(diào)節(jié)。

也可以通過旋轉(zhuǎn)起偏器或檢偏器實現(xiàn)光強的精細調(diào)節(jié)

參考：[二分之一波片的四種用法]

方案介紹

使用 LabVIEW 上位機通過串口向單片機循環(huán)發(fā)送指令，精確控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，進而機械驅(qū)動波片旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光強的精確控制。

介紹了兩種實現(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)二分之一波片實現(xiàn)光強控制的基本原理。

馬呂斯 (E. L. Malus) 定律

I = I_0cdot cos^2{theta}

結(jié)合本項目設(shè)計，使用 LabVIEW 控制單片機驅(qū)動步進電機，進而旋轉(zhuǎn)波片，實現(xiàn)光強的精確控制。

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，進而實現(xiàn)光強的精確調(diào)控。

數(shù)據(jù)采集

實驗室中的光強數(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，光強信號的變化。

項目工程

介紹了 LabVIEW 上位機聯(lián)合調(diào)用設(shè)備實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集的項目設(shè)計，包括面板設(shè)計、程序框圖、功能實現(xiàn)等。

前面板

程序框圖

功能實現(xiàn)

1. 選擇目標串口對應的端口號，配置波特率等信息；
2. 點擊運行按鈕，自動打開串口；
3. 單次運行：
   (a)輸入目標旋轉(zhuǎn)角度值；
   (b)點擊 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)（運行時點亮，靜止時熄滅）；
4. 連續(xù)運行：
   (a)輸入步長、目標角度、延時、文件保存路徑；
   (b)點擊 START 按鈕開始運行；
   (c)實時顯示位置、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)運行結(jié)束后，曲線數(shù)據(jù)自動保存至目標路徑。
5. 點擊 Terminate 按鈕終止程序。

效果演示

參數(shù)配置完成后點擊 START 按鈕運行程序

數(shù)據(jù)保存樣式

至此完成了 RP2350 開發(fā)板結(jié)合 LabVIEW 上位機實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集的項目。

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、光強傳感器等，當檢測到傳感器模擬信號變化或達到閾值，旋轉(zhuǎn)步進電機實現(xiàn)力矩傳遞和機械驅(qū)動目標裝置，實現(xiàn)擺動、進動、旋動、開關(guān)等操作，自動完成設(shè)定任務。

總結(jié)

本文介紹了 DFRobot Beetle RP2350 開發(fā)板使用 LabVIEW 上位機串口發(fā)送指令，實現(xiàn)步進電機 單步 和 連續(xù) 旋轉(zhuǎn)指定角度的項目設(shè)計。

進一步結(jié)合具體的應用場景，設(shè)計了開發(fā)板與儀器的聯(lián)合調(diào)用、進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集的應用案例。

結(jié)合其他應用場景，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)性的測試為電機驅(qū)動等相關(guān)類似項目提供了新思路，也為該型號開發(fā)板的應用提供了具有 LabVIEW 上位機控制的一系列有價值的參考。

審核編輯 黃宇