步进电机的 LabVIEW 控制与应用
本帖最后由 无垠的广袤 于 2025-5-5 17:19 编辑Beetle 树莓派RP2350 - 步进电机的 LabVIEW 控制与应用
本文介绍了 DFRobot Beetle RP2350 开发板使用 LabVIEW 上位机串口发送指令，实现步进电机 单步 和 连续 旋转指定角度的项目设计。进一步结合具体的应用场景，设计了开发板与仪器的联合调用、进而实现数据自动采集的应用案例。
项目介绍
在前面关于串口发送 json 指令使 RP2350 通过 ULN2003 驱动 28BYJ-48 步进电机旋转指定角度的项目设计的基础上，使用 LabVIEW 上位机串口发送指令，实现步进电机旋转指定角度。
LabVIEW 介绍
LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是 National Instruments（NI）公司开发的一种图形化编程语言。主要用于数据采集、仪器控制、工业自动化以及测试测量系统的开发。2023年，NI 被艾默生电气（Emerson）收购。
关键组件
[*]前面板（Front Panel）用户交互界面，包含按钮、图表、指示灯等控件。
[*]程序框图（Block Diagram）图形化编程区域，通过连线连接函数、结构和子VI。
[*]VI（Virtual Instrument）LabVIEW程序的基本单元，每个VI包含前面板和程序框图，可嵌套使用。
[*]工具包与模块
[*]DAQmx：数据采集驱动；
[*]Vision Development Module：机器视觉处理；
[*]LabVIEW NXG：新一代Web化设计工具。
详见：艾默生旗下测试和测量系统 - NI .
环境配置
下载并安装最新完整版 LabVIEW ；安装时注意 VISA 串口驱动器的安装，后续测试将调用该模块。
工程设计
介绍了 LabVIEW 软件工程创建与程序设计的流程，实现上位机编写、旋转角度的串口发送、状态显示等。
单步控制功能实现
[*]串口发送 json 格式的角度值；
[*]打印发送和接收的数据至前面板；
[*]显示旋转状态（静止或运动）等。
前面板
程序框图
功能实现程序使用步骤
[*]选择目标串口对应的端口号，配置波特率等信息；
[*]点击运行按钮，自动打开串口；
[*]输入目标旋转角度值，点击 Send 发送按钮；
[*]字符面板显示发送和接收的信息；
[*]State 指示灯将在完成旋转任务后（收到 OK）闪烁一次；
参考：Labview 自动化测试信息转JSON字符串 、基于LabView开发的串口助手 、利用VISA进行串口通信 .
连续控制
在实现单步控制的基础上，介绍了循环发送旋转角度指令，进而实现连续旋转的控制。
子VI定义
为了方便连续控制并旋转指定角度，采用模块化设计，定义步进电机旋转子 VI 程序。
前面板
程序框图
功能实现
[*]输入端口：串口配置参数 (波特率等)、步进电机的旋转速度 velocity 和目标旋转角度 angle ；
[*]运行程序；
[*]待检测到串口反馈回 OK 字样，表明任务执行完毕；
[*]打印字符串，点亮 State 状态指示灯。
连续运行
利用模块化设计的旋转子 VI 程序，结合 while 循环实现连续旋转控制。
前面板
程序框图
功能实现
[*]串口配置参数 (波特率等)；
[*]运行程序；
[*]单步运行：
[*]输入旋转速度 velocity 和目标旋转角度 angle ；
[*]点击 Go To 按钮；
[*]待字符串面板显示 OK ，完成单步运行流程 .
[*]连续运行：
[*]在步长 Step（单次旋转的角度）、最终需要的角度值 End 、延时 Delay 栏分别输入对应的数值；
[*]点击 START 按钮，开始运行程序；
[*]Position 显示当前位置、loop 指示灯显示连续运行状态，同时输出提示字符串；
[*]待循环结束，到达目标角度，loop 指示灯熄灭，表明连续运行结束。
[*]点击 Terminate 按钮终止程序。
应用案例
介绍了开发的 LabVIEW 上位机步进电机控制系统 的应用案例。
案例一：自动数据采集装置
实验中通常使用二分之一波片或中性密度滤光片（Neutral Density, ND）实现光束的强度和光功率的调节。也可以通过旋转起偏器或检偏器实现光强的精细调节
参考：二分之一波片的四种用法 .
方案介绍
使用 LabVIEW 上位机通过串口向单片机循环发送指令，精确控制步进电机的旋转角度，进而机械驱动波片旋转，实现光强的精确控制。介绍了两种实现光功率调节的方案，分别是采用二分之一波片和 ND 滤波片的解决方案。
工作原理
介绍旋转二分之一波片实现光强控制的基本原理。
马吕斯 (E. L. Malus) 定律
结合本项目设计，使用 LabVIEW 控制单片机驱动步进电机，进而旋转波片，实现光强的精确控制。
中性密度滤光片
ND 滤光片大致分为两种
[*]不连续变化
详见：Round, Step-Variable, Metallic Neutral Density Filters
[*]连续变化
详见：Round Continuously Variable Metallic Neutral Density Filters .
两种滤波片均可通过控制旋转角度，调整光斑入射至 ND 的相对位置，进而实现光强的精确调控。
数据采集
实验室中的光强数据采集通常由 光敏探头 结合 光功率计 完成
参考：Power Meter Kits - Thorlabs .
或使用光电探测器(PD)、雪崩探测器 (APD)、光电倍增管 (PMT)、CCD 传感器等。
参考：平衡光电探测器 、光电倍增管 、雪崩光电二极管 、CCD .
这里使用混入噪声的锯齿波模拟旋转 ND 时，光强信号的变化。
项目工程
介绍了 LabVIEW 上位机联合调用设备实现自动化数据采集的项目设计，包括面板设计、程序框图、功能实现等。
前面板
程序框图
功能实现
[*]选择目标串口对应的端口号，配置波特率等信息；
[*]点击运行按钮，自动打开串口；
[*]单次运行：
(a)输入目标旋转角度值；
(b)点击 Go To 按钮，字符面板显示发送和接收的信息；
(c) Running 指示灯显示旋转状态（运行时点亮，静止时熄灭）；
[*]连续运行：
(a)输入步长、目标角度、延时、文件保存路径；
(b)点击 START 按钮开始运行；
(c)实时显示位置、循环状态、提示字符串；
(d)显示数据与角度演化曲线；
(e)运行结束后，曲线数据自动保存至目标路径。
[*]点击 Terminate 按钮终止程序。
效果演示
参数配置完成后点击 START 按钮运行程序
数据保存样式
至此完成了 RP2350 开发板结合 LabVIEW 上位机实现自动数据采集的项目。
案例二：自动雨刷（自动撑伞装置、自动浇水器、自动换水鱼缸）
结合雨滴传感器、土壤湿度传感器、水位传感器、光强传感器等，当检测到传感器模拟信号变化或达到阈值，旋转步进电机实现力矩传递和机械驱动目标装置，实现摆动、进动、旋动、开关等操作，自动完成设定任务。
总结
[*]本文介绍了 DFRobot Beetle RP2350 开发板使用 LabVIEW 上位机串口发送指令，实现步进电机 单步 和 连续 旋转指定角度的项目设计。
[*]进一步结合具体的应用场景，设计了开发板与仪器的联合调用、进而实现数据自动采集的应用案例。
[*]结合其他应用场景，有针对性地提出了工程设计思路与解决方案。
上述系统性的测试为电机驱动等相关类似项目提供了新思路，也为该型号开发板的应用提供了具有 LabVIEW 上位机控制的一系列有价值的参考。
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