基于LabVIEW的光柵測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)心，王煒，厲振宇

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院）

引 言

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備測(cè)量?jī)x器，其功能固定、擴(kuò)展性差，且測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)。美國(guó)國(guó)家儀器NI公司于1986年提出的虛擬儀器的概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革。其將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而NI公司開(kāi)發(fā)的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW無(wú)疑是虛擬儀器的杰出代表。

蝸桿傳動(dòng)過(guò)程中，往往會(huì)碰到蝸桿蝸輪嚙合中心距測(cè)量問(wèn)題。本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)交錯(cuò)放置在檢具底盤上蝸桿副嚙合運(yùn)動(dòng)中的傳動(dòng)中心距以及蝸輪轉(zhuǎn)角值的位置信息數(shù)據(jù)采集電路，并在上位機(jī)LabVIEW8.6軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示出位置信息關(guān)系曲線以及對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

圖1為系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。該光柵測(cè)量系統(tǒng)主要由PC工控機(jī)、STC89C55、信號(hào)接口電路、信號(hào)預(yù)處理電路以及液晶顯示控制電路組成。其中，角編碼器和光柵尺傳感器組成光柵位移量測(cè)量的檢測(cè)傳輸平臺(tái)，分別輸出蝸輪轉(zhuǎn)角值和蝸桿副傳動(dòng)中心距位置信息；然后再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換以及整形放大電路，輸出單片機(jī)可以識(shí)別的相位角相差90°的2路方波序列脈沖信號(hào)（A相主信號(hào)和B相副信號(hào)），另外還輸出一個(gè)作為校驗(yàn)Z信號(hào)。硬件接口電路將3路信號(hào)輸入到信號(hào)預(yù)處理電路進(jìn)行位移脈沖數(shù)據(jù)、移動(dòng)方向以及原點(diǎn)信息的預(yù)處理，再由單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線根據(jù)需要讀取、處理和顯示數(shù)據(jù)，隨后通過(guò)RS232串口總線將采集的多路數(shù)據(jù)送入LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)以及分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)的下位機(jī)核心控制芯片是單片機(jī)STC89C55，其內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間有20KB，片內(nèi)RAM為1280字節(jié)，外部晶振頻率最高可以接入40MHz。該單片機(jī)不僅具有MCS－51系列單片機(jī)的所有特性，而且具有穩(wěn)定性高、功耗低、抗干擾等特點(diǎn)，是目前性價(jià)比較高的芯片。由于本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，所以選用24MHz外部晶振，可提高單片機(jī)的處理速度。

2.2 數(shù)據(jù)采集接口電路

本系統(tǒng)中光柵尺和角編碼器都屬于增量式光電編碼器，而增量式編碼器系列有各種不同類型的輸出電路方式可以選擇，為了抑制共模干擾和提高傳輸抗干擾性能，設(shè)計(jì)中采用了差分輸出型方案。由于數(shù)字式傳感器不需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，所以需將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的單端TTL信號(hào)，進(jìn)而直接進(jìn)行辨向計(jì)數(shù)。AM26C32是NI公司的4路差動(dòng)線路接收器，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的單端TTL信號(hào)，進(jìn)而直接進(jìn)行辨向計(jì)數(shù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集接口電路

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路主要由信號(hào)預(yù)處理電路和單片機(jī)主控電路組成。信號(hào)預(yù)處理電路主要完成對(duì)方波信號(hào)的鑒相與計(jì)數(shù)的預(yù)處理，是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了保證計(jì)數(shù)的實(shí)時(shí)性和方便后期功能擴(kuò)展，結(jié)合兩種軟硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了較合理的信號(hào)預(yù)處理電路，如圖3所示。鑒相電路由1個(gè)D觸發(fā)器74HC74和2個(gè)與非門74HC00組成，可逆計(jì)數(shù)電路由2片74HC193組成，低8位計(jì)數(shù)值輸出經(jīng)三態(tài)緩沖芯片74HC245后掛到單片機(jī)P1口總線上進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。一旦發(fā)生計(jì)數(shù)值溢出，就會(huì)在外部產(chǎn)生觸發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序通過(guò)設(shè)置在鑒相電路中的P2.3口狀態(tài)識(shí)別是正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)還是反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。傳感器校驗(yàn)信號(hào)直接與單片機(jī)引腳相連，檢測(cè)輸入信號(hào)。

單片機(jī)主控電路除了對(duì)前端信號(hào)初始化計(jì)數(shù)預(yù)置，數(shù)據(jù)組合處理和中斷控制外，還負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)通過(guò)串口送入上位機(jī)。采用這種計(jì)數(shù)方式可以減少硬件資源的消耗，充分利用單片機(jī)軟件資源，方便功能擴(kuò)展，節(jié)約成本，提高實(shí)時(shí)性。另外，由于單片機(jī)I／O端口資源比較有限，所以液晶顯示電路利用74HC595芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I／O引腳功能擴(kuò)展。

圖3 預(yù)信號(hào)處理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STC89C55單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)單片機(jī)串口、外部中斷、定時(shí)器以及液晶顯示等進(jìn)行初始化設(shè)置，然后通過(guò)I／O口實(shí)時(shí)查詢信號(hào)處理電路的計(jì)數(shù)值。當(dāng)硬件電路計(jì)數(shù)值溢出時(shí)，便在進(jìn)／借位端口產(chǎn)生相應(yīng)的下降沿觸發(fā)，外部中斷實(shí)時(shí)響應(yīng)并處理相應(yīng)情況，得到各自的計(jì)數(shù)高8位數(shù)據(jù)。最后，與計(jì)數(shù)低8位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合和換算并將其送入LCD液晶顯示。

與此同時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)判斷兩路組合數(shù)據(jù)是否超過(guò)給定范圍，根據(jù)判斷情況進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。在主程序讀取數(shù)據(jù)期間，單片機(jī)隨時(shí)通過(guò)串口中斷，響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求命令和暫停接收命令。單片機(jī)主程序流程如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言來(lái)完成控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)。LabVIEW程序主要包括前面板（即人機(jī)界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，框圖程序應(yīng)用圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。在系統(tǒng)中，單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)RS－232串行方式，因此不需要購(gòu)買昂貴的數(shù)據(jù)采集卡就能簡(jiǎn)便且穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了工業(yè)控制的一般要求。

在LabVIEW虛擬儀器串行接口編程中，通常用其提供的標(biāo)準(zhǔn)I／O函數(shù)庫(kù)VISA，無(wú)論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口都可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信。

LabVIEW前面板如圖5所示，給出了上位機(jī)Lab－VIEW控制平臺(tái)的蝸桿副快速檢測(cè)平臺(tái)。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要由串口配置與控制模塊、數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)模塊等組成。用戶無(wú)需了解模塊內(nèi)部的程序框圖便可直接通過(guò)鼠標(biāo)在界面上操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警、控制等功能。

（1）串口配置與控制模塊

圖5 LabVIEW前面板

圖4 單片機(jī)主程序流程

為了保證計(jì)算機(jī)與單片機(jī)能串口通信，首先應(yīng)進(jìn)行串口初始化。根據(jù)單片機(jī)串口設(shè)定方式，在程序框圖設(shè)置VISA資源名稱為COM1，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，無(wú)奇偶校驗(yàn)位和流控制。這些初始設(shè)定都可以在前面板的相應(yīng)輸入控件中加以更改。在VISA標(biāo)準(zhǔn)串口函數(shù)庫(kù)里面提供的節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)串口初始化配置，還可以對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)控制。另外，在程序框圖中所有的功能子模塊都需都在while循環(huán)內(nèi)，同時(shí)用前面板的布爾值開(kāi)關(guān)控制循環(huán)命令條件端子。

（2）數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊

圖6給出了數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊程序框圖。框圖中，VISA Read節(jié)點(diǎn)用于讀取指定數(shù)量的字節(jié)。Bytes at Port節(jié)點(diǎn)是VISA串口字節(jié)數(shù)，用于判斷讀取數(shù)據(jù)是否滿足4個(gè)字節(jié)，如果為真即滿足條件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取模塊，串口字節(jié)數(shù)清空；正確讀取的4個(gè)字節(jié)中前2個(gè)字節(jié)為蝸輪角度值，后2個(gè)字節(jié)為傳動(dòng)蝸桿中心距數(shù)據(jù)。由于讀串口節(jié)點(diǎn)只能讀取字符串，所以需要進(jìn)行正確的字符串與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示與統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊程序框圖

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的子VI模塊。其作用是將存放串口讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組送入處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換VI模塊，并根據(jù)事先設(shè)定好的控制參數(shù)，得到轉(zhuǎn)換后的角度和傳動(dòng)中心距偏差數(shù)據(jù)，分別保存于X－Y軸坐標(biāo)數(shù)組，便于后續(xù)顯示。該轉(zhuǎn)換模塊中利用LabVIEW所特有的公式節(jié)點(diǎn)，直接輸入條件判斷公式和有關(guān)端子，而不用創(chuàng)建復(fù)雜的框圖節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路數(shù)據(jù)不同類型的換算和轉(zhuǎn)換。另外，輸出的角度值可以用來(lái)指示當(dāng)前蝸輪是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，而輸出的傳動(dòng)中心距偏差值可以用來(lái)指示蝸桿目前狀態(tài)。控制參數(shù)正確設(shè)置對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是極為重要的。

角編碼器和光柵尺的光柵線數(shù)分別決定了其所能分辨的最小角度和傳動(dòng)中心距長(zhǎng)度，而理論中心距是檢測(cè)蝸桿的理想?yún)?shù)，它與精度等級(jí)共同決定了傳動(dòng)中心距的極限偏差值，通過(guò)現(xiàn)行機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查找得出。在本設(shè)計(jì)中，提供的光柵尺測(cè)量精度為0.01mm，選用的精度等級(jí)不能過(guò)高。從設(shè)計(jì)中選用的第9等級(jí)精度可知，待檢測(cè)蝸輪副實(shí)際中心距偏差值不能超過(guò)60mm，一旦超過(guò)設(shè)定的測(cè)量范圍將會(huì)報(bào)警提示，并顯示蝸桿質(zhì)量不正常。

（3）數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)模塊

LabVIEW是專為測(cè)量、分析數(shù)據(jù)并提交結(jié)果而設(shè)計(jì)的，其強(qiáng)大的圖表和圖形組件體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。由于坐標(biāo)圖不同于簡(jiǎn)單的波形圖，其可以有不同類型的數(shù)據(jù)輸入，因此不能簡(jiǎn)單互連，故坐標(biāo)圖需要將X數(shù)組和Y數(shù)組分別轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型后綁定為一個(gè)簇連接到坐標(biāo)圖中。本設(shè)計(jì)在前面板的控件選項(xiàng)卡中找到Express類，Express函數(shù)不同于一般的LabVIEW函數(shù)，其可以被視為通用編程問(wèn)題的解決方案庫(kù)。在前面板合適位置放置Express XY坐標(biāo)圖后，其在程序框圖中自動(dòng)地“在幕后”產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)圖標(biāo)，只需要將創(chuàng)建XY圖標(biāo)的兩個(gè)輸入端子直接與來(lái)自按名稱釋放簇中X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)組兩端子分別相連，便會(huì)自動(dòng)匹配數(shù)據(jù)輸入格式。不僅如此，測(cè)量文件的快速寫(xiě)入也是通過(guò)函數(shù)面板中Write To Measurement File Express VI加以配置，指定如何格式化文件以及保存數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過(guò)在前面板設(shè)置數(shù)據(jù)保存開(kāi)關(guān)，便可以靈活記錄和實(shí)時(shí)訪問(wèn)已測(cè)量過(guò)的數(shù)據(jù)值。

結(jié) 語(yǔ)

本文以單片機(jī)STC89C55為數(shù)據(jù)采集核心硬件，NI公司的LabVIEW為上位機(jī)支持軟件，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)普通圓柱蝸桿的質(zhì)量快速檢測(cè)。采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與分析，編程者不需要深究相關(guān)硬件的專業(yè)知識(shí)，也不需要考慮復(fù)雜的專門的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函數(shù)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)縮短了開(kāi)發(fā)周期，并且具有硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、測(cè)試穩(wěn)定、功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。

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