基于LabVIEW平臺的虛擬儀器編程

譚延軍，聶友偉

(1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032;2.沈陽軍區(qū)65042部隊，沈陽 110035)

1 引言

1.1 虛擬儀器系統(tǒng)

虛擬儀器(VI)是指通過應用程序?qū)⒂嬎銠C與功能化模塊結(jié)合起來，通過圖形界面操作計算機，就像操作自己設(shè)計的儀器一樣，從而完成數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示、存儲和打印。

虛擬儀器的突出優(yōu)點是不僅可以利用PC組建成為靈活的虛擬儀器，還可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)，因此具有定制面板、定制功能、研發(fā)成本低、研發(fā)周期短、儀器升級與計算機同步、儀器開放靈活，方便與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備互聯(lián)等優(yōu)點。虛擬儀器分類有多種，一般以計算機及其總線控制方式不同，分為下述5類:

(1)PC－DAQ插卡式虛擬儀器

(2)并行口式虛擬儀器

(3)GPIB總線方式虛擬儀器

(4)VXI總線方式虛擬儀器

(5)PXI總線方式虛擬儀器

1.2 LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENT，簡稱NI)的創(chuàng)新軟件平臺，又稱為G語言。

LabVIEW被廣泛應用于各種行業(yè)，包括汽車、半導體、航空航天、交通運輸、電信、生物工程等領(lǐng)域。它的功能非常強大，可擴展函數(shù)庫和子程序庫，可方便地調(diào)用Windwos動態(tài)鏈接庫和自定義的庫函數(shù)，內(nèi)置了用于GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串口控制，以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲等的應用模塊。對大數(shù)據(jù)塊解析而言，它支持DDE和SQL，對數(shù)據(jù)傳輸而言，它支持TCP/IP和PDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。從本質(zhì)上講，它在宏觀上已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了，而是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。因此，LabVIEW的程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，編程人員可以通過相互連接功能方框圖快速簡潔的開發(fā)應用程序，甚至可以有多個數(shù)據(jù)通道同步運行。

本文充分運用了LabVIEW編程的這些優(yōu)點，以驅(qū)動串口為例，設(shè)計一款伺服電機控制器，通過控制電流和轉(zhuǎn)速，讀取電機扭矩值，實現(xiàn)伺服電機的全功能測試。最后將設(shè)計的虛擬儀器實際用于控制ABB公司的伺服控制器和BSM系列電機中，取得了很好的效果。目前這款虛擬儀器已經(jīng)成功運行在某大型儀器設(shè)備上。

2 LabVIEW串口編程

2.1 串口編程控制方式

LabVIEW的串口控制，可以通過多種方法實現(xiàn)。

(1)最基本的IN OUT控制。LabVIEW提供了In Port和Out Port兩個基本輸入輸出VI，通過它就可以直接讀寫寄存器，對于計算機的COM1，它的端口地址是0X3F8，完全可以通過它來完成串口通訊。

(2)利用API的WriteFile函數(shù)實現(xiàn)串口通訊，這是VC進行串口通訊的方法。

(3)利用VB提供的MSCOMM控件(這是目前用的最多的，它支持查詢和中斷兩種模式，既可以發(fā)送文本型數(shù)據(jù)(ASCII)，也可以發(fā)送二進制(BIN，實際是BYTE ARRAY)。

(4)利用LabVIEW特有的VISA通訊。下面采用的通訊模式是VISA通訊。

2.2 LabVIEW中的VISA通訊

LabVIEW用于串行通訊的節(jié)點為VISA節(jié)點，打開LabVIEW程序選項，選擇VISA子選板，包括8個節(jié)點，實現(xiàn)配置串口、串口寫入、串口讀取、關(guān)閉串口、監(jiān)測串口緩沖區(qū)等。如圖1所示。

圖1 打開并配置串口節(jié)點

基于此節(jié)點的串口通訊框圖程序如圖2所示。

圖2 串口通訊程序

通過圖2可以看出，LabVIEW的編程是非常直觀簡單的，使用內(nèi)置的節(jié)點和函數(shù)，甚至不用寫一行代碼，開發(fā)人員可以把節(jié)省的很多精力用于虛擬儀器的設(shè)計及儀器功能的完善上。

3 利用LabVIEW實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)

3.1 虛擬儀器功能介紹

本文要實現(xiàn)的虛擬儀器是測量水泥漿的稠度和靜膠凝強度，為此需要直流伺服電機驅(qū)動盛放泥漿樣品漿筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)槳葉，通過測量電機的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電流，計算出槳葉的扭矩和剪切力，從而計算出泥漿樣品的稠度和靜膠凝強度。

基于LabVIEW平臺，設(shè)計的虛擬儀器如圖3所示。

圖3 虛擬儀器面板功能圖

3.2 虛擬儀器功能實現(xiàn)

以靜膠凝強度測試為例，儀器實現(xiàn)的主要功能有:

(1)膠凝強度初始化標定

相當于儀器校準，在設(shè)備開始測試數(shù)據(jù)前，標定基準數(shù)據(jù)，以此作為后續(xù)測量的基準值。標定過程通過在漿筒上加掛不同重量的砝碼，在恒定轉(zhuǎn)速下，測試驅(qū)動電流和扭矩。測試值通過濾波、降噪處理后保存在標定文件中。

(2)膠凝強度測試

完成儀器的初始化標定后，漿筒中裝入固定容積的泥漿(792ml)，首先設(shè)定電機高轉(zhuǎn)速，測量泥漿的驅(qū)動電流和扭矩，此時得出的泥漿特性值為稠度值。在稠度升到一定值后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入低轉(zhuǎn)速，此時測得的泥漿特性值為真實的膠凝強度值，經(jīng)過整形濾波降噪處理，該值以曲線形式顯示在示波器上，數(shù)值保存在計算機。根據(jù)泥漿體系配方的不同，整個測量過程需要幾個小時。測量達到預定值后，系統(tǒng)自動停止。

4 虛擬儀器功能驗證

為了驗證所設(shè)計的虛擬儀器功能，我們加載ABB公司的伺服電機控制器 Microflex_e100，電機采用BSM50N－133ABX，驅(qū)動器與電機的通訊接口采用BISS接口，控制器與計算機接口為USB。以此為原型設(shè)備，測量泥漿的稠度和膠凝強度，比較數(shù)值見表1所示。

從表1可以看出，在采用相同的濾波和降噪方式下，膠凝強度值在虛擬儀器和原型機上反映的數(shù)值吻合的非常好，這就充分驗證了所設(shè)計的虛擬儀器完全滿足了原型機的功能需求。目前，該儀器已成功應用于某大型數(shù)字采集設(shè)備中。

表1 測量泥漿的稠度和膠凝強度數(shù)值對比表

5 結(jié) 束 語

結(jié)合ABB公司的伺服控制器和電機，采用LabVIEW平臺開發(fā)具有定制復雜功能的虛擬儀器，開發(fā)周期短，儀器設(shè)計成本低，易于功能拓展。通過本文的成功實踐，證明了采用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器的極大優(yōu)越性。

［1］胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010虛擬儀器從入門到精通［M］.北京 機械工業(yè)出版社，2011.

［2］Baldor Comp.Microflex e100 Servo Drive Installation Manul［DB/OL］.http://www.baldor.com/support/Literature/Load.ashx/MN1942?ManNumber=MN1942.

［3］ABB Comp.MINT Basic Programming ［DB/OL ］.http://www.baldor.com/support/Literature/Load.ashx/MN1955WEN?ManNumber=MN1955WEN.