基于Labview 的位移測量系統設計

羅瑜

（陜西工業職業技術學院電氣工程學院，陜西咸陽 712000）

位移測量在工業生產應用中非常廣泛，隨著工件精密度要求的提高，相對應的對測量設備的測量數據精度要求越來越高，同時對測量效率、測量數據處理、可靠性、自動化程度、可操作性都有相應的要求。光柵尺以其適應性強、測量精度高等優勢在位移測量系統應用中占有很大比重[1]。目前，設計實現的測量系統主要表現在功能實用性方面，在測量數據管理和可操作性方面還有很大提升空間。基于Labview 的位移測量系統具有對位移數據的存儲、分析、查詢和控制運行等功能，并且在數據處理分析、功能多樣化、測量過程自動化、人機交互等方面都有著較大優勢，在高精度位移測量儀器上得到了廣泛運用[2]。

基于Labview 軟件平臺，以MSP430 為控制器，利用光柵位移測量技術提出了一種提高工作效率和測量精度的全自動位移測量系統的設計。系統上位機軟件實現了對測量數據的存儲統計及分析，軟件具有數據查詢、數據分析、報表生成等功能，使位移測量系統在測量數據管理方面更加方便易用。

1 系統總體設計

該系統上位機軟件開發平臺為Labview，控制器為MSP430 單片機，結合光柵尺、伺服系統、尋邊器等硬件實現系統設計。X軸驅動器用于驅動帶動讀數頭沿X軸移動的X軸電機；Y軸驅動器用于驅動帶動光電感應式尋邊器沿Y軸方向移動的Y軸電機；光柵尺輸出的正交脈沖信號經過細分辨相電路處理后為兩路信號輸出[3]，控制器通過處理細分辨相電路的輸出信號獲取X軸的運動方向及實際位移；系統以串口通信方式實現上位機與控制器之間的數據交互；系統中通過接入Access 數據庫實現對批量測量數據的分析、存儲、查詢管理。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統選用柵距為2 μm 的光柵尺作為位移傳感器，實現±10 μm 的測量精度，光柵尺輸出的AB 相正交編碼信號經細分辨相電路提高位移測量精度。基于Labview 軟件平臺開發的上位機軟件，實現簡單易用的人機交互[4]；上位機通過串口實現與控制器的數據交互，包含發送控制系統運行命令、接收反饋的測量數據；上位機通過與Access 數據庫連接，實現測量數據管理相關操作。系統中選用具有高分辨率編碼器的電機，實現高精度位置定位及位置反饋，其中X軸電機用于帶動光柵尺上的讀數頭沿X軸方向移動，Y軸電機用于帶動光電感應式尋邊器沿Y軸方向移動。尋邊器用于檢測是否接觸到被測工件。

2 系統硬件設計

2.1 光柵尺信號采集電路

光柵尺主要由光源、透鏡、標尺光柵、指示光柵、光電接收元件組成。當被測物體移動一個柵距時，光柵傳感器每相輸出一個脈沖信號，輸出的脈沖數即反饋的位移信息[5]。如果對反饋脈沖進行計數，則位移的分辨率就是光柵尺的柵距距離，假設每毫米光柵尺有500 個刻線，則測量精度可達2 μm。光柵尺輸出信號為相位差為90°的方波信號A 和B，當讀數頭前后移動時，AB 相輸出脈沖信號在一個周期內有4 種狀態。當讀數頭向前移動時，A 相信號比B 相信號超前90°；當讀數頭向后移動時，A 相信號比B相信號落后90°。光柵尺輸出的AB 相信號波形如圖2 所示。

圖2 光柵輸出信號波形圖

系統設計中根據光柵尺輸出的正交編碼信號特性，對信號進行細分辨相處理，測量精度可提高4 倍。根據光柵尺輸出的AB 相信號之間的相位關系,設計細分辨相電路，將信號轉換為兩路信號輸出：一路輸出為經過細分處理后的四倍頻信號，另一路輸出為運動方向信號。圖3 中上方所示波形為A 相信號，下方所示波形為經細分辨相后的四倍頻信號波形。

經細分辨相后的四倍頻信號接入控制器的脈沖計數端口，運動方向信號接入控制器的普通數字輸入端口，控制器對輸入的脈沖信號計數，對計數結果根據運動方向做相應處理，獲取X的實際位移。細分辨相電路原理圖如圖4 所示。

2.2 尋邊器信號采集電路

圖3 信號細分波形圖

圖4 細分辨相電路原理圖

該系統采用光電感應式尋邊器，尋邊器的主要功能是檢測是否接觸到被測工件。將尋邊器固定在Y軸上，X軸電機帶動尋邊器在X方向移動時，移動過程中若碰觸到被測物體即產生電平信號變化輸出。此信號作為控制器的輸入，控制器根據檢測到的電平信號變化進行相應動作和數據處理。尋邊器信號采集原理如圖5 所示。

圖5 尋邊器信號采集原理圖

2.3 串口通信電路

在系統設計中，控制器有一個全雙工的串行通信口，控制系統通過串口通信實現數據交互。硬件設計中需要有電平轉換電路實現PC 機的RS232 電平與單片機的TTL 電平相互轉換[6]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為兩部分，上位機軟件實現與數據庫連接、測量數據存儲及查詢分析、串口通信、命令發送及數據接收，測量控制系統軟件實現串口通信、位移數據的測量、測量數據發送、命令接收及執行。

3.1 數據庫存儲及查詢

Database Connectivity工具包是為Labview用戶提供的一個專門和數據庫連接的工具包[7]，可以實現數據庫相關的操作。安裝成功的Database Connectivity 工具包將會在函數選板的附加工具包列出所有VI[8]。系統設計中將Labview 與數據庫進行連接，實現將測量數據等信息存入數據庫中。Database子選板如圖6 所示。

圖6 Database子選板

工具包只能操作數據庫，無法創建數據庫，必須借助第三方數據庫管理系統建立數據庫后才能執行相關操作[9]。文中系統采用Access 來創建數據庫，利用DSN 連接數據庫，使用SQL 查詢語句進行檢索。數據庫操作包含打開和關閉數據庫連接、數據庫列插入及提取、表中所有列信息返回等操作[10]。測量表返回程序如圖7 所示，數據庫寫入程序如圖8所示。

圖7 測量表返回程序

Database Connectivity 工具包中的函數不能實現記錄查詢操作[11]，只可把連接數據庫中的所有數據讀取出來，經過條件篩選處理得出其中某一條數據。當測量數據量龐大時，使用函數讀取再做條件篩選的方法已經無法滿足應用要求，需要速度更快的檢索方法。因工具包完全支持SQL 語言，檢索時可以使用SQL 查詢語句實現檢索操作。首先，根據需求創建SQL 語句；然后，利用DB Tools Execute Query.vi 函數執行。在工件表中按工件號查詢數據程序，如圖9 所示。

圖8 數據庫寫入程序

圖9 按工件號查詢數據程序

通過Labview 豐富的報表生成子VI，實現報表輸出，可以生成Word、Excel 等報表，滿足數據分析的不同需求[12]。生成的測量數據報表可供后續查詢和對比。報表生成基本思路是先建立一個空白的Excel表格或Word 文檔，完成數據采集和數據處理等任務后，把得到的測試信息、數據等其他信息轉換為字符串格式，利用Labview 的工具包生成報表[13]，把測量結果寫入表格中預先規定好的位置，并將數據曲線放到報表的指定位置。

3.2 實測數據分析

位移測量系統獲取測量信息后，還需使用此系統判斷工件的尺寸是否合格。測量信息表按照時間升序排列顯示程序，如圖10 所示。測試所得部分數據如圖11 所示。

圖10 按時間升序排列程序

圖11 測量結果

從圖11可以看出，對同一個工件進行重復測量，測量誤差在±10 μm 內，重復測量精度為2 μm，測量結果滿足系統精度要求。經分析，誤差的主要來源有兩方面，一方面是絲杠的螺紋與螺母之間存在間隙，每次轉換方向時都會存在回程誤差；另一方面是X軸速度不同時，尋邊器裝置觸頭與工件接觸的偏離會有不同。

設計中，利用統計分析處理獲得工件測量數據的統計參數值，根據數據分析的結果判斷工件的質量情況。工件質量分析程序如圖12 所示。

圖12 工件質量分析程序

3.3 串口通信程序

上位機系統與測量控制系統之間的數據交互通過串口實現。Labview 具有很強大的串口通信功能，使用儀器I/O 選板中的串口(Serial)子選板功能函數實現串口通信功能[14]。使用VISA 配置串口函數，按照實際應用配置后，利用VISA 寫入函數、VISA 讀取函數實現數據的發送與接收，在串口功能使用完畢后，需使用VISA 關閉函數關閉串口。串口接收數據程序框圖如圖13 所示。

圖13 串口接收程序框圖

上位機發送和接收的數據幀都必須嚴格按照設計的交互協議傳輸[15]。上位機控制系統發送命令包括電機的正反轉控制命令、速度控制命令、測量系統的啟動停止、全自動運行等。上位機系統接收的數據包括返回的測量數據、運行信息等。

串口接收到數據后，首先需要判斷接收到的數據是否完整[16]，數據完整則對數據進行處理，反之放棄數據。程序中使用匹配字符串函數進行處理，匹配正確時有字符串輸出。

3.4 測量系統軟件設計

測量系統軟件采用模塊化設計，軟件包括主程序、數據采集處理程序、電機控制程序、串口通信程序、中斷處理程序。系統主程序包含時鐘初始化、端口功能配置、串口初始化、調用程序子模塊實現功能等。主程序流程圖如圖14 所示。

圖14 主程序流程圖

數據采集處理程序實現了對光柵尺經過細分辨相后輸出脈沖信號的計數，并計算得到位移數據。串口通信程序實現測量系統接收來自上位機系統的控制命令，根據控制命令運行并返回測量信息。電機控制程序通過PWM 脈沖控制電機運行，PWM 脈沖信號頻率控制電機的運行速度。

4 結束語

文中介紹了一種基于Labview 的全自動位移測量系統的實現。系統上位機以Labview 為軟件開發平臺，以MSP430 為控制器，結合光柵尺、電機驅動系統、尋邊器等硬件完成。系統實現了對X-Y工作臺上X方向的位移測量，并將測量結果發送至上位機，上位機系統中接入Access 數據庫用于對批量測量數據的存儲和管理。