基于LabVIEW與PCI6221的計數器應用實踐項目研究與實施

摘" 要" 自動門控制模擬系統是虛擬儀器技術課程的實踐項目之一，該實踐項目主要是訓練計數器的應用，運用NI-DAQmx中計數器輸出功能實現對模擬自動門開關的步進電機運行控制，運用計數器輸入功能及數字量輸入功能實現對模擬自動門開關度（編碼器）信號及有無人進出信號的采集。項目涉及多個硬件模塊，集成多個知識點。實踐證明：所設計的實踐項目能有效提高學生的實踐動手能力和解決問題的能力。

關鍵詞" 虛擬儀器技術；計數器I/O；自動門控制模擬系統；LabVIEW

中圖分類號：G642.44" "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）08-0037-05

Research and Implementation of Counter Application"Practice Project Based on LabVIEW and PCI6221//CHEN

Fei， XIE Qi， XU Huigang， ZHANG Hao

Abstract" Automatic door control simulation system is one of"the practical projects of virtual instrument technology course."In this project， the output function of the counter in NI-DAQmx"is used to control the operation of the stepper motor， which si-mulates the automatic door opening or closing. And the input function of the counter and the digital input function are used"to realize the acquisition of encoder and sensor signals， which"are the opening and closing degree of the door and whether someone is in or out. The practice project involves multiple hardware modules and integrates multiple knowledge points."Practice has proved that the designed practice project can effectively improve students’ practical ability and problem-solving ability.

Key words" virtual instrument technology; counter I / O; auto-matic door control simulation system; LabVIEW

0" 引言

隨著計算機技術和電子技術等的進步，虛擬儀器技術發展迅速，已被廣泛應用于航空、航天、自動化、通信、電子等領域[1]。虛擬儀器技術課程是自動化專業的一門應用性、實踐性、工程性很強的專業課，學生通過學習掌握虛擬儀器系統設計的方法和技能，增強利用LabVIEW、數據采集卡和相應硬件設備解決實際測量測試問題的能力，為進一步深入學習相關專業課程和從事相關測試測量行業工作奠定基礎。為了使課程的實驗（實踐）環節與企業工程實踐緊密結合，學院組織課程組教師走訪蘇南地區多家企業，了解企業對從事自動化測試行業學生能力的需求及對課程實踐的要求，確定虛擬儀器技術實踐環節包含數字量I/O、模擬量I/O和計數器I/O的實踐，同時能夠將工程項目中常用的程序架構運用于其中。課程組根據企業對學生能力的要求、課程所支撐的畢業要求的分析，同時兼顧學生的學習興趣，對虛擬儀器技術課程實踐項目進行設計，避免實踐項目功能單一問題；項目實施采用邊講邊做、理實一體化教學模式，避免實踐過程監控不夠的現象[2]。

針對計數器I/O的應用設計實踐項目，在實踐項目設計中硬件平臺和軟件設計方法需考慮與工業應用技術相通，有助于學生學習到的技術基礎和系統開發方法在將來工作中的運用[3]。課程組通過討論，提出計數器應用實踐項目——基于LabVIEW和NI-PCI6221的自動門控制模擬系統設計。該實踐項目通過對步進電機運行方向、運行速度的控制來模擬自動門的開關及開關門的速度，通過編碼器對步進電機運行的圈數或角度進行檢測來模擬自動門開關是否到位，用接近傳感器來模擬是否有人進出。以下從實踐項目的要求、目的、硬件平臺、軟件設計及項目實施與考核展開詳細說明。

1" 計數器應用實踐項目要求及目的

1.1" "實踐項目要求

項目要求運用LabVIEW、NI-DAQmx、NI-PCI6221數據采集卡、編碼器和步進電機等實現對自動門控制的模擬。通過控制步進電機的旋轉角度和方向，模擬自動門的開關，使用編程器測量當前步進電機的旋轉角度來判斷門是否完全打開或關閉，使用接近開關來模擬是否有人靠近自動門。運用LabVIEW和NI-DAQmx軟件，選擇合理的程序架構設計程序，實現如下基本功能。

1）點擊開始按鈕，系統處于運行狀態。

2）當有人靠近且門未打開時，電機正轉模擬開門狀態，當開門達到一定角度時，停若干時間后自動進行關門，用電機反轉來模擬關門；若在關門期間有人靠近，則停止關門后進行開門處理。同時，開關門的過程可形象地展現在前面板上。

1.2" "實踐項目目的

通過本項目使學生：

1）了解并掌握PCI6221數據采集卡的Count功能及使用；

2）了解步進電機的特性及使用方法，學會通過數據采集卡實現對步進電機的轉速、轉向的控制程序設計；

3）了解編碼器的特性及使用方法，學會通過數據采集卡實現對編碼器信號的讀取程序設計；

4）了解接近開關的特性使用方法，學會通過數據采集卡實現對數字信號的讀取程序設計；

5）掌握LabVIEW前面板動態界面設計技巧；

6）進一步熟悉并掌握狀態機架構或生產者/消費者架構程序設計方法。

2" 實踐項目設計

2.1" 實踐項目硬件平臺構建

在硬件平臺的構建中選用實驗室現有LabVIEW軟件和NI-PCI6221數據采集卡分別對電機運行、編碼器及接近開關的信息進行控制和采集。將電機、編碼器和接近開關構建成一個一維平臺，如圖1所示：選用17HS3401兩相混合式42步進電機，步進電機電流為1.2～1.5 A，步距角為1.8°，200脈沖/圈，最高轉速為600轉/分，選用專用的42步進電機驅動器；編碼器選用HN3806-AB-600N，為光電增量式AB兩相，600脈沖，NPN類型；接近傳感器選用瑞科方形SN04-N，為三線制，NPN常開型；滑臺絲桿螺距為4 mm/圈；滑臺上搭載一置物臺，可以放其他的傳感器或視覺設備等，也可將其擴展為二維平臺。

此實踐項目主要是訓練學生掌握NI-DAQmx中計數器I/O的使用，因此在NI-PCI6221采集卡端口的使用中選擇計數器端口，其硬件接線如圖2所示[4]：計數器ctr0（PFI12）輸出脈沖波控制步進電機轉動，與步進電機驅動器PUL+相連；P0.0控制步進電機的方向，與步進電機驅動器DIR+相連；步進電機驅動器采用共陰接法；計數器ctr1獲取編碼器A、B相脈沖，從而計算出步進電機運行的角度（圈數）；PFI3與編碼器A相（白色）相連，PFI11與編碼器B相（綠色）相連，因編碼器信號輸出屬于集電極開路，所以電路中加了上拉上阻（4.7 kΩ）；P0.1通過光電耦隔離器與接近傳感器相連。

2.2" 實踐項目軟件設計

本項目設計的是自動門控制模擬系統，要求實現當程序運行時，自動門處于關閉狀態，此時如果有人進入，門會自動打開，停留數秒，等人進入后，門會自動關閉。在關門過程中，如果正好有人經過，門會再次打開，數秒后，進入關閉狀態。考慮采用生產者/消費者架構，系統運行流程如圖3所示。生產者循環實現前面板按鍵的觸發，即系統開始運行和停止。消費者循環中涉及以下兩點：

1）開關門操作（步進電機運行控制）；

2）是否有人進出（接近開關信息讀取）、開關門是否到位（編碼器信息讀取）的判斷。

綜合考慮系統采用基于事件結構的單生產者/多消費者架構[5]，生產者循環通過隊列1和隊列2將命令傳遞給兩個消費者，如圖4所示：消費者1循環實現開關門操作，即步進電機運行的控制，其包含初始化、開門、暫停、關門和停止五個狀態；消費者2循環實現對編碼器和接近開關信息的讀取，并作出是否有人進出及開關門是否到位的判斷，從而將開門、暫停及關門的命令通過隊列1傳遞給消費者1循環。系統包含初始化、測位和停止三個狀態，程序前面板和框圖如圖5所示。

3" 實踐項目實施過程及考核

由于實踐項目隸屬于虛擬儀器技術的其中一個實踐環節，涉及多個硬件模塊、多個知識點，因此在實踐項目實施過程中采用的是邊講邊練、理實一體化的教學模式，課程在實驗室中開展。本項目涉及的任務、知識及任務具體實施及所培養的能力如表1所示[6-7]。

自動門模擬控制系統課時為10課時，以團隊協作的形式開展，每個團隊2～3人，實踐項目考核采用線上、線下相結合的過程化考核方式。表1中任務列中已經給出各環節所占的分值，其中熟悉實踐項目要求和熟悉硬件等的考核是通過線上測試完成，其他的考核項在線下完成。軟硬件方案論證主要考核學生給出方案的合理性、可實施性、可拓展性；硬件接線及模塊測試考核學生接線、走線的規范性及硬件模塊測試過程是否合理；軟件設計和調試運行首先考核系統是否能按要求正常運行，程序是否存在漏洞及程序設計的規范性；針對所做的工作，最終學生需提交項目過程記錄表，即對項目要求、方案、硬件設計、軟件設計、調試等給出書面表述。

4" 結束語

自動門模擬系統實踐項目涉及數據采集卡、步進電機、編碼器、接近開關等硬件和DAQmx的計數器I/O程序設計及生產者/消費者架構或狀態機架構的使用，涉及的知識點多、綜合性強，所用的硬件都是企業項目中所用的器件，在鍛煉學生實踐動手能力的同時能很好地滿足企業相關人才的需求。該實踐項目已在自動化2016級、2017級（現代測控技術方向）中實施，并取得良好的教學效果。2017級的統計數據顯示：83%的學生掌握了運用LabVIEW、NI-DAQmx和數據采集卡設計測試系統的方法；78%的學生能夠根據用戶需求，通過查找資料、相互討論，給出可行的解決方案；85%的學生能夠根據已定方案進行硬件選型，完成硬件接線及測試；75%的學生能夠運行生產者/消費者或狀態機架構進行相應的軟件設計，并完成系統調試，同時能夠對試結果及存在的問題進行分析和解釋。

學校與企業緊密聯系，在課程教學和實踐中融入企業對人才培養需求，吸引蘇南地區眾多從事非標測試測量的企業來校招聘，反饋良好。

參考文獻

[1] 劉淑聰，蘇渤力，李亞南.虛擬儀器課程教學改革與實踐教學研究[J].科教導刊，2018（29）：125-126.

[2] 梁國令.測控專業虛擬儀器技術實踐課程教學反思[J].廣西物理，2018，39（4）：44-46.

[3] 任海霞，李志斌，夏飛.基于NI ELVIS Ⅲ的虛擬儀器課程教學探討[J].電腦知識與技術，2019，15（36）：119-120.

[4] 陳飛，陳奎，謝啟，等.LabVIEW編程與項目開發實用教程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016：248-258.

[5] 周煬挺，王時龍，周杰，等.生產者/消費者模式在剪切機檢測系統中的應用[J].重慶大學學報，2020，43（10）：12-19.

[6] 馬建曉，李果.基于項目學習的虛擬儀器課程教學模式探索[J].教育現代化，2020，7（6）：124-126.

[7] 喻菲菲，杜燦.基于虛擬儀器技術項目設計的發動機檢測實踐教學法[J].廣東技術師范學院學報（自然科學），2015，36（2）：137-140.

*項目來源：2019年教育部高等學校自動化類專業教學指導委員會專業教育教學改革研究課題立項項目“智能制造背景下業界深入融入的自動化卓越現場工程師培養模式研究與實踐”（2019A21）；江蘇省高等教育教學改革研究課題“1+1+N多主體協同育人的智能制造人才培養新模式研究與實踐”（2019JSJG034）；本論文得到江蘇高校“青藍工程”資助（2018年江蘇高校“青藍工程”培養對象—自動化專業教學團隊）。

作者：陳飛、謝啟，常熟理工學院，副教授，研究方向為計算機先進控制技術與先進檢測技術；徐惠鋼，常熟理工學院，教授，研究方向為工業自動化；張浩，常熟理工學院測控技術與儀器專業（215500）。