步进电机的 LabVIEW 控制与应用

本文介绍了树莓派 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。

1 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

1. 选择目标串口对应的端口号，配置波特率等信息；
2. 点击运行按钮，自动打开串口；
3. 输入目标旋转角度值，点击 Send 发送按钮；
4. 字符面板显示发送和接收的信息；
5. 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]

2 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

1. 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 ；
2. 运行程序；
3. 待检测到串口反馈回 OK 字样，表明任务执行完毕；
4. 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

1. 串口配置参数 (波特率等)；
2. 运行程序；
3. 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 .
4. 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。
5. 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

I = I_0cdot cos^2{theta}

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

1. 选择目标串口对应的端口号，配置波特率等信息；
2. 点击运行按钮，自动打开串口；
3. 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）；
4. 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。
5. 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。

审核编辑 黄宇