基于LabVIEW的工业控制器的位移检测系统

0 引言

位移是向量，除了要确定其大小，还要确定其方向，目前测量位移的方法有测量速度积分法、回波法、线位移和角位移转换法、位移传感器法。其中位移传感器法是目前应用最为广泛的。光栅位移传感器由光源、标尺光栅、指示光栅、光电检测器件等组成，其利用光敏元件接收莫尔条纹移动时光强的变化转换为电信号输出，将电压信号放大、整形为方波，再由微分电路转换为脉冲信号，经过辨向电路后送可逆计数器计数，就可得出位移量的大小，位移量为脉冲数与栅距的乘积。SINO KA-300光栅尺有A相、B相、Z相三路方波信号（A相和B相信号周期相同，相位相差90°，A相超前B相表示正向位移，A相滞后B相表示负向位移，Z信号可以作为校准信号以消除累积误差），其分辨率为5µm。使用数据采集卡（NI PXIe-6341）将光栅尺转换的脉冲信号送至LabVIEW平台，进行数据处理和误差分析。LabVIEW作为NI虚拟仪器技术的最重要的部分，集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件与数据采集卡通讯功能。可以进行仪器面板控制设计、数据分析处理、仪器驱动、I/O接口通信，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW图形化语言使操作界面的设计和程序编写更灵活。

1 检测系统组成

系统结构如图1所示，将被测机器的传感器和光栅尺同时固定在导轨上，计算机控制电机，使导轨前后运动，这时，工业控制器显示被测机器的位移量；LabVIEW操作面板显示检测系统的位移量，然后进行分析与数据处理。如果没有达到要求，可以将检测系统的位移量传送至工业控制器，重新对机器进行控制。除数据采集卡、光栅尺和LabVIEW软件外，还需控制器和计算机显示屏。这里使用了NI的PXIe-8840控制器。

图1 系统结构

2 软件设计

采用LabVIEW作为虚拟仪器的开发工具需要关注以下两个方面：

1）软件的前面板（操作界面）的布局。LabVIEW为开发者提供了大量的前面板控件来实现界面的优化，同时也支持开发者自定义控件，来满足自身的特别需要，控件可以根据需求修改名称及其他属性。前面板的设计需要符合布局合理、操作方便的设计要求。

2）程序框图的实现。采用模块化的设计方法，主要包括以下模块：参数设置模块、信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块和结束测试模块，如图2所示。

图2 程序模块

下面对各个模块进行简要说明。

2.1 参数设置模块

参数设置模块包括创建通道类型、计数器、解码类型、信号接收DAQmx通道、DAQmx触发、单位、初始位置、启用Z索引等，如图3所示。其中计数器和DAQmx通道（A、B、Z）的选择要与光栅尺连接在采集卡上的接线端相一致，否则无法接收信号；对信号边沿计数后，接下来需要考虑的就是这些数值应如何转换成位置信息，这个由边沿数值转换为位置信息的过程，取决于所采用的编码类型。 总共有三种基本的编码类型：X1、X2和X4，它们测量的精度依次增高，但是如果有噪声影响的话，误差会相应增大。

图3 参数设置模块

2.2 信号采集与数据处理模块

信号采集模块包括DAQmx开始任务VI（与DAQmx Trigger连接）、DAQmx读取VI（可以设置通道和采样个数）、采集停止VI、清除任务VI。使用事件结构，当测试按钮状态改变时开始采集，如果出现错误，简易错误处理器VI将显示警告；等待时钟设置采集测试间隔时间。

数据处理模块包括使用LabVIEW提供的运算函数计算位移和10次测试的绝对误差平均值，使用反馈函数实现位移累加并显示在图表中；将检测系统位移、被测工业控制器位移、误差和已测试次数（与For循环的i相连）转换为字符串显示在表格中；条件结构的作用是在已测试次数是10的整数倍时计算绝对误差平均值；公式VI用于创建校准后系统检测值与真值的关系式。如图4所示。

图4 信号采集与数据处理模块

2.3 数据存储模块

前面板波形表和测试表格显示的数据不能在测试完成后保存下来，LabVIEW提供了MS Office Report VI，其可以在测试次数达到后，将数据存储在事先建好的Word模板中。如图5所示，数据接线端与测试表格局部变量输入端相连。

图5 数据存储模块

2.4 结束测试模块

测试完成后，单击返回位置检测主界面按钮，结束测试。如图6所示，使用了创建路径函数、打开及关闭VI引用和属性节点。

图6 结束测试模块

总结：参数设置模块、信号采集模块和数据处理模块放在For循环中，测试次数与N相连，已测次数与i相连；For循环、数据存储模块和结束测试模块放在While循环中，使程序连续运行。

3 系统校准

在测试过程中，有电磁干扰、电机振动等不利因素的影响。为了使测试更精确，需要对检测系统进行校准。在校准机构对检测系统进行抽样测试，得到一组真值和测试值。由于数据是离散的，其他未校准的点不知道其真值，所以需要对数据进行拟合，得出他们的关系式（检测系统的值为变量，真值为因变量）。在检测工业控制器位移量时，就可以求出其他点的真值。

如图7所示，使用LabVIEW平台编写了曲线拟合程序，采用了线性拟合、多样式拟合、指数拟合、幂函数拟合四种模型，LabVIEW提供了对应的VI，每种模型使用最小二乘、最小绝对残差和Bisquare拟合方法。最小二乘法的原理是根据n个离散点，拟合出一条曲线y=f（x），每个点到f（x）的距离的平方和最小；最小绝对残差法的原理是根据n个离散点，拟合出一条曲线y=f（x），每个点到f（x）的距离的和最小；Bisquare的原理是利用最小二乘法进行迭代，如果前后两次系数的相对差小于容差，输出最后一次的系数。将校准的数据经过索引数组函数转换为向量送入拟合VI，可以得到均方差、拟合数据和相应关系式的系数。

图7 拟合程序框图

得出关系式系数后，需要将关系式表示出来。为了使主VI简洁，采用调用表达式子VI的方法将关系式表示出来，如图8所示。其中格式化写入字符串函数指定了系数的表达形式，在事件结构中分别构造模型表达式。

图8 表达式子VI

以上工作完成后，将数据输入操作界面，得出拟合结果。在多项式模式下调节阶数使方差最小，得到合适的拟合方程，其他模式不能调节阶数。

图9 拟合前面板

4 实验测试

在测试前，按表1接线方式将硬件连接起来，连接线用屏蔽线，需要专用的接线盒将采集卡的接线端引出来。给检测系统和工业控制器通电，开始进行测试，在操作界面显示测试结果，如图10所示。

表1 硬件接线方式

图10 测试前面板

5 结束语

本文介绍了一种基于LabVIEW的工业控制器的位移检测方法，利用NI公司的数据采集卡快速采集位移信号，并通过LabVIEW图形化语言设计出美观的操作界面和模块化的程序。在校准检测系统后，根据检测的误差大小判断工业控制器位移指标是否合格。虚拟仪器技术的核心是软件，通过软件可以方便地增加或减少测试功能。

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