Labview位移测量系统软件设计

Labview位移测量系统软件设计

宋枫

中国飞机强度研究所  陕西 西安 710065

摘要：随着我国互联网计算机软件技术的不断提高，虚拟仪器已广泛应用于自动化测控领域，创造了许多实用价值。测试软件的主要功能是实现计算机与测试仪器之间的相互通信，并完成各种数据信息的传输和处理。基于LabVIEW的测绘软件的设计可以充分发挥各种资源工具的作用，帮助开发人员和设计人员优化和解决各种实际问题，从而全面提高测试软件设计工作的质量和效率，并节省更多的钱。本文将进一步分析和讨论LabVIEW下的测试软件设计，旨在为同行业提供科学参考。

关键字：LabVIEW;测试软件；设计

0前言

近年来，LabVIEW凭借其独特的“数据流”框图编程模式已广泛用于测试和测量领域。目前，利用LabVIEW平台开发更复杂的实时多任务测试系统已成为一种新趋势。本文基于Labview软件平台，以MSP430作为控制器，并采用光栅位移测量技术，提出了一种可提高工作效率和测量精度的全自动位移测量系统的设计。

1系统总体设计

系统的主机软件开发平台为Labview，控制器为MSP430单片机，系统设计是通过结合光栅尺，伺服系统，寻边器等硬件实现的。X轴驱动器用于驱动X轴电机，该电机驱动读取头沿X轴移动；Y轴驱动器用于驱动Y轴电机，该Y轴电机带动光电感应寻边器沿Y轴方向移动。光栅尺输出的正交脉冲信号经过精细分辨率的相位电路处理后，有两个信号输出。控制器通过处理高分辨率相电路的输出信号，获得X轴的运动方向和实际位移。系统通过串行通讯实现上位机与控制器之间的数据交互。

系统选择光栅尺为2μm的光栅尺作为位移传感器，以实现±10μm的测量精度。光栅尺输出的AB相正交编码信号通过精细分辨率的相位电路，以提高位移测量精度。基于Labview软件平台开发的上位机软件实现了简单易用的人机交互。上位机通过串口与控制器进行数据交互，包括发送控制系统运行命令和接收反馈测量数据。主机与Access数据库Connect进行通信，以实现与测量数据管理相关的操作。在系统中选择了具有高分辨率编码器的电机，以实现高精度的位置定位和位置反馈。

2系统硬件设计

2.1光栅尺信号采集电路

光栅尺主要由光源，透镜，刻度尺，指示光栅和光电接收元件组成。当被测物体移动光栅间距时，光栅传感器针对每个相位输出脉冲信号，并且输出的脉冲数是反馈位移信息。如果对反馈脉冲进行计数，则位移的分辨率就是光栅尺的光栅间距。假设光栅尺每毫米有500条光栅线，则测量精度可以达到2μm。光栅尺的输出信号是相位差为90°的方波信号A和B。当读取头来回移动时，AB相输出脉冲信号在一个周期内具有4种状态。当读取头向前移动时，A相信号比B相信号早90°；当读取头向后移动时，A相信号比B相信号落后90°。

在系统设计中，根据光栅尺输出的正交编码信号的特性，对信号进行精细分辨率的相位处理，测量精度可以提高4倍。根据光栅尺输出的AB相位信号之间的相位关系，设计了一种高分辨率的相位电路，将信号转换为两个信号输出：一个输出是细分处理后的四倍频信号，另一个输出是运动信号。

2.2寻边器信号采集电路

该系统采用光电感应式寻边器，寻边器的主要功能是检测是否碰到被测工件。将寻边器固定在Y轴上。当X轴电机驱动寻边器在X方向上移动时，如果在移动过程中触摸要测量的对象，则会产生电平信号变化输出。该信号用作控制器的输入，并且控制器根据检测到的电平信号变化执行相应的动作和数据处理。

2.3串行通讯电路

在系统设计中，控制器具有全双工串行通信端口，控制系统通过串行通信实现数据交互。硬件设计需要一个电平转换电路，以实现PC的RS232电平与单片机的TTL电平之间的相互转换。

3系统软件设计系统

软件设计分为两部分。上位机软件实现与数据库的连接，测量数据的存储和查询分析，串行通讯，命令发送和数据接收，测量控制系统软件实现串行通讯，位移数据测量，测量数据发送和命令接收。

3.1数据库的存储和查询

DatabaseConnectivity工具箱是专用于Labview用户的数据库连接的工具箱，可以实现与数据库有关的操作。成功安装的DatabaseConnectivity工具箱将在功能选板的附加工具箱中列出所有VI。在系统设计中，Labview与数据库连接以实现测量数据和其他信息在数据库中的存储。

该工具箱只能操作数据库，而不能创建数据库。您必须在第三方数据库管理系统的帮助下建立数据库，然后才能执行相关操作。在本文中，系统使用Access创建数据库，使用DSN连接到数据库，并使用SQL查询语句进行检索。数据库操作包括诸如打开和关闭数据库连接，插入和提取数据库列以及返回表中的所有列信息之类的操作。

DatabaseConnectivity工具包中的函数不能实现记录查询操作，只可把连接数据库中的所有数据读取出来，经过条件筛选处理得出其中某一条数据。当测量数据量巨大时，使用函数读取再进行条件过滤的方法已无法满足应用需求，因此需要一种更快的检索方法。由于该工具包完全支持SQL语言，因此您可以在检索过程中使用SQL查询语句来实现检索操作。首先，根据需求创建SQL语句；然后，使用DBToolsExecuteQuery.vi函数执行。

通过Labview丰富的报告生成子VI，可以实现报告输出，并可以生成Word和Excel等报告来满足数据分析的不同需求。生成的测量数据报告可用于后续查询和比较。生成报告的基本思想是在完成数据收集和数据处理等任务后，首先创建一个空白的Excel表或Word文档，将获得的测试信息，数据和其他信息转换为字符串格式，然后使用Labview工具箱生成报告。将测量结果写入表格中的预定位置，并将数据曲线放置在报告的指定位置。

3.2实测数据分析

位移测量系统获得测量信息后，有必要使用该系统来判断工件的尺寸是否合格。在同一工件上重复测量，测量误差在±10μm以内，重复测量精度为2μm，测量结果符合系统精度要求。经过分析，有两个主要的错误来源。一方面，在螺纹和螺母之间存在间隙，并且每次改变方向都会有返回误差。另一方面，当X轴速度不同时，寻边器接触。头部和工件之间的接触偏差将不同。在设计中，通过统计分析和处理获得工件测量数据的统计参数值，并根据数据分析结果判断工件的质量。

3.3串行通讯程序

主机系统与测量控制系统之间的数据交互是通过串口实现的。Labview具有非常强大的串行通讯功能。使用仪器I/O面板中的串行子选择功能来实现串行通讯功能。使用VISA配置串行端口功能。根据实际应用进行配置后，请使用VISA写入功能和VISA读取功能来发送和接收数据。使用串行端口功能后，需要使用VISA关闭功能来关闭串行端口。

主计算机控制系统发送的命令包括电动机的正向和反向旋转控制命令，速度控制命令，测量系统的启动和停止以及全自动操作。主机系统接收的数据包括返回的测量数据，操作信息等。

串口接收到数据后，首先需要判断接收到的数据是否完整。如果数据完整，则将处理该数据，否则将丢弃该数据。

3.4测量系统软件设计

测量系统软件采用模块化设计。该软件包括主程序，数据采集处理程序，电机控制程序，串行通讯程序和中断处理程序。系统的主程序包括时钟初始化，端口功能配置，串行端口初始化，调用程序子模块以实现功能等。

数据采集处理程序在对相位进行精细区分之后，实现了光栅尺输出脉冲信号的计数，并计算出位移数据。该串行通信程序实现了测量系统从上位计算机系统接收控制命令，根据该控制命令运行并返回测量信息。

4结论

基于Labview的位移测量系统因其操作简便，测量分辨率高而被广泛用于位移测量领域。本文介绍了基于Labview的全自动位移测量系统的实现。系统的上位机以Labview为软件开发平台，以MSP430为控制器，结合光栅尺，电机驱动系统，寻边器等硬件完成。系统在X-Y工作台上实现X方向的位移测量，并将测量结果发送到上位机。上位计算机系统访问Access数据库，以存储和管理批量测量数据。

参考文献：

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