基于LabVIEW的工業控制器的位移檢測系統

0 引言

位移是向量，除了要確定其大小，還要確定其方向，目前測量位移的方法有測量速度積分法、回波法、線位移和角位移轉換法、位移傳感器法。其中位移傳感器法是目前應用最為廣泛的。光柵位移傳感器由光源、標尺光柵、指示光柵、光電檢測器件等組成，其利用光敏元件接收莫爾條紋移動時光強的變化轉換為電信號輸出，將電壓信號放大、整形為方波，再由微分電路轉換為脈沖信號，經過辨向電路后送可逆計數器計數，就可得出位移量的大小，位移量為脈沖數與柵距的乘積。SINO KA-300光柵尺有A相、B相、Z相三路方波信號（A相和B相信號周期相同，相位相差90°，A相超前B相表示正向位移，A相滯后B相表示負向位移，Z信號可以作為校準信號以消除累積誤差），其分辨率為5μm。使用數據采集卡（NI PXIe-6341）將光柵尺轉換的脈沖信號送至LabVIEW平臺，進行數據處理和誤差分析。LabVIEW作為NI虛擬儀器技術的最重要的部分，集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件與數據采集卡通訊功能。可以進行儀器面板控制設計、數據分析處理、儀器驅動、I/O接口通信，是一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW圖形化語言使操作界面的設計和程序編寫更靈活。

1 檢測系統組成

系統結構如圖1所示，將被測機器的傳感器和光柵尺同時固定在導軌上，計算機控制電機，使導軌前后運動，這時，工業控制器顯示被測機器的位移量；LabVIEW操作面板顯示檢測系統的位移量，然后進行分析與數據處理。如果沒有達到要求，可以將檢測系統的位移量傳送至工業控制器，重新對機器進行控制。除數據采集卡、光柵尺和LabVIEW軟件外，還需控制器和計算機顯示屏。這里使用了NI的PXIe-8840控制器。

圖1 系統結構

2 軟件設計

采用LabVIEW作為虛擬儀器的開發工具需要關注以下兩個方面：

1）軟件的前面板（操作界面）的布局。LabVIEW為開發者提供了大量的前面板控件來實現界面的優化，同時也支持開發者自定義控件，來滿足自身的特別需要，控件可以根據需求修改名稱及其他屬性。前面板的設計需要符合布局合理、操作方便的設計要求。

2）程序框圖的實現。采用模塊化的設計方法，主要包括以下模塊：參數設置模塊、信號采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和結束測試模塊，如圖2所示。

圖2 程序模塊

下面對各個模塊進行簡要說明。

2.1 參數設置模塊

參數設置模塊包括創建通道類型、計數器、解碼類型、信號接收DAQmx通道、DAQmx觸發、單位、初始位置、啟用Z索引等，如圖3所示。其中計數器和DAQmx通道（A、B、Z）的選擇要與光柵尺連接在采集卡上的接線端相一致，否則無法接收信號；對信號邊沿計數后，接下來需要考慮的就是這些數值應如何轉換成位置信息，這個由邊沿數值轉換為位置信息的過程，取決于所采用的編碼類型。 總共有三種基本的編碼類型：X1、X2和X4，它們測量的精度依次增高，但是如果有噪聲影響的話，誤差會相應增大。

圖3 參數設置模塊

2.2 信號采集與數據處理模塊

信號采集模塊包括DAQmx開始任務VI（與DAQmx Trigger連接）、DAQmx讀取VI（可以設置通道和采樣個數）、采集停止VI、清除任務VI。使用事件結構，當測試按鈕狀態改變時開始采集，如果出現錯誤，簡易錯誤處理器VI將顯示警告；等待時鐘設置采集測試間隔時間。

數據處理模塊包括使用LabVIEW提供的運算函數計算位移和10次測試的絕對誤差平均值，使用反饋函數實現位移累加并顯示在圖表中；將檢測系統位移、被測工業控制器位移、誤差和已測試次數（與For循環的i相連）轉換為字符串顯示在表格中；條件結構的作用是在已測試次數是10的整數倍時計算絕對誤差平均值；公式VI用于創建校準后系統檢測值與真值的關系式。如圖4所示。

圖4 信號采集與數據處理模塊

2.3 數據存儲模塊

前面板波形表和測試表格顯示的數據不能在測試完成后保存下來，LabVIEW提供了MS Office Report VI，其可以在測試次數達到后，將數據存儲在事先建好的Word模板中。如圖5所示，數據接線端與測試表格局部變量輸入端相連。

圖5 數據存儲模塊

2.4 結束測試模塊

測試完成后，單擊返回位置檢測主界面按鈕，結束測試。如圖6所示，使用了創建路徑函數、打開及關閉VI引用和屬性節點。

圖6 結束測試模塊

總結：參數設置模塊、信號采集模塊和數據處理模塊放在For循環中，測試次數與N相連，已測次數與i相連；For循環、數據存儲模塊和結束測試模塊放在While循環中，使程序連續運行。

3 系統校準

在測試過程中，有電磁干擾、電機振動等不利因素的影響。為了使測試更精確，需要對檢測系統進行校準。在校準機構對檢測系統進行抽樣測試，得到一組真值和測試值。由于數據是離散的，其他未校準的點不知道其真值，所以需要對數據進行擬合，得出他們的關系式（檢測系統的值為變量，真值為因變量）。在檢測工業控制器位移量時，就可以求出其他點的真值。

如圖7所示，使用LabVIEW平臺編寫了曲線擬合程序，采用了線性擬合、多樣式擬合、指數擬合、冪函數擬合四種模型，LabVIEW提供了對應的VI，每種模型使用最小二乘、最小絕對殘差和Bisquare擬合方法。最小二乘法的原理是根據n個離散點，擬合出一條曲線y=f（x），每個點到f（x）的距離的平方和最小；最小絕對殘差法的原理是根據n個離散點，擬合出一條曲線y=f（x），每個點到f（x）的距離的和最小；Bisquare的原理是利用最小二乘法進行迭代，如果前后兩次系數的相對差小于容差，輸出最后一次的系數。將校準的數據經過索引數組函數轉換為向量送入擬合VI，可以得到均方差、擬合數據和相應關系式的系數。

圖7 擬合程序框圖

得出關系式系數后，需要將關系式表示出來。為了使主VI簡潔，采用調用表達式子VI的方法將關系式表示出來，如圖8所示。其中格式化寫入字符串函數指定了系數的表達形式，在事件結構中分別構造模型表達式。

圖8 表達式子VI

以上工作完成后，將數據輸入操作界面，得出擬合結果。在多項式模式下調節階數使方差最小，得到合適的擬合方程，其他模式不能調節階數。

圖9 擬合前面板

4 實驗測試

在測試前，按表1接線方式將硬件連接起來，連接線用屏蔽線，需要專用的接線盒將采集卡的接線端引出來。給檢測系統和工業控制器通電，開始進行測試，在操作界面顯示測試結果，如圖10所示。

表1 硬件接線方式

圖10 測試前面板

5 結束語

本文介紹了一種基于LabVIEW的工業控制器的位移檢測方法，利用NI公司的數據采集卡快速采集位移信號，并通過LabVIEW圖形化語言設計出美觀的操作界面和模塊化的程序。在校準檢測系統后，根據檢測的誤差大小判斷工業控制器位移指標是否合格。虛擬儀器技術的核心是軟件，通過軟件可以方便地增加或減少測試功能。

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