Beetle 树莓派RP2350 - 步进电机的 LabVIEW 控制与应用

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。