【正文】 速度，儀器技術(shù)領(lǐng)域同樣卷入了翻天覆地的變化之中。各種 新的測試 技術(shù) 理論、測試方法不斷 得被 應(yīng)用于實際 工作中 。儀器結(jié)構(gòu)也隨 同著設(shè)計想法的更新變化 而不斷發(fā)展 進步 。 課題的提出 近年來，舵機在小型機器 人、微機電以及模型系統(tǒng)上應(yīng)用已十分廣泛，漸漸成為一種重要的執(zhí)行機構(gòu)。因此當舵機的使用越來越廣泛時，需要一種專門的測試儀來測試舵機的各項參數(shù)。 而使用 虛擬儀器技術(shù) 構(gòu)造 的測試系統(tǒng)， 加上 必要的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件就能 達到 實際測試分析 所 需要 的要求 ?；趫D形化 的 G 語言 編程環(huán)境 ， LabVIEW 是 由 美國 NI 公司 研發(fā)的 創(chuàng)新 型 軟件產(chǎn)品， 作為 虛擬儀器開發(fā)平臺 它 擁有相當強大的 功能 ，同時 它 也是目前 測試領(lǐng)域 發(fā)展最快、 應(yīng)用最廣、功能最強的圖形化軟件集成 虛擬儀器 開發(fā)環(huán)境 之一 。該測試系統(tǒng) 操作面板的優(yōu)點主要有 ：界面 友好，功能 完善 、高 可靠性 、 很 強 的可維護性 等 。這種模擬系統(tǒng)可以依據(jù)用戶需求 實現(xiàn)儀器的 界面 定制 , 并在相同硬件平臺上通過使用 不同軟件來 模擬 實現(xiàn)不同的儀器功能 , 實現(xiàn)硬件的 參數(shù)測試 , 大大地提高了 測試系統(tǒng)的功能和靈活性 , 同時也 降低了測試成本 和復(fù)雜程度 。 主要內(nèi)容為： 1） LabVIEW 上位操作界面的設(shè)計，包括用戶顯示面板及程序代碼的設(shè)計，內(nèi)容主要包括舵機正反轉(zhuǎn)控制、角度控制、速度設(shè)置、位置回中、角度及速度顯示、轉(zhuǎn)矩大小顯示、 PWM 信號的波形顯示等功能。 課題分析 而現(xiàn)在國內(nèi)比較普遍的舵機測試一般是有如下方案： 1） 基于 AVR CDC 軟硬件進行修改，用 AVRCDC 硬件產(chǎn)生舵機驅(qū)動信號，并用 AD采樣檢測舵機消耗電流（判斷舵機是否在轉(zhuǎn)動 ） 2） 基于 CDC 串口編寫上位機軟件，進行操控和顯示 具體更一般的則有基于 單片機控制的舵機測試儀 、基于嵌入式計算機 PC 的舵機故障測試儀等。 相對于這里提到的兩種方案來說，基于 LabVIEW 的舵機測試儀有比較明顯的優(yōu)點。這一方面使得測試更加快捷方便，另一方面也降低了購置更多硬件可能產(chǎn)生的成本。一方面是填補國內(nèi)在 基于 LabVIEW的舵機測試儀方面的空缺，另一方面也是對所學(xué)到知識的一個實踐。 3 1 舵機測試儀 設(shè)計 分析 舵機 的基本知識 根據(jù)控制方式，舵機應(yīng)該稱為微型伺服馬 達。舵機接受一個簡單的控制指令就可以自動轉(zhuǎn)動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機器人產(chǎn)品使用。 舵機的結(jié)構(gòu) 舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。 舵機 是一個位置反饋伺服系統(tǒng)，舵機 安裝了一個電位器（或者 角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動 的 角度， 舵機內(nèi)置 控制 電路板根據(jù)電位器的信息可以 比較精確的控 制和保持輸出軸的 轉(zhuǎn)動角度。 舵機的硬件組成 結(jié)構(gòu)如下圖 ，主要分為幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。塑料齒輪成本底，噪音小，但強度較低；金屬齒輪強度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會有很大的噪音。金屬齒 輪一般用于功率密度較高的舵機上，比如輝盛的 995舵機，在和3003一樣體積的情況下卻能提供 13KG的扭矩。 圖 各種齒輪箱 舵機的規(guī)格和選型 當今使用的舵機有模擬舵機和數(shù)字舵機之分，不過數(shù)字舵機還是相對較少。 舵機 的規(guī)格主要有幾個方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、尺寸、重量、材料等。 1） 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速由 舵機無負載的情況下轉(zhuǎn)過 60176。 ~176。 （見圖 ） 圖 舵機轉(zhuǎn)角 5 2） 轉(zhuǎn)矩 舵機扭矩的單位是 KG178。可以理解為在舵盤上距舵機軸中心水平距離 1CM處，舵機能夠帶動的物體重量。如 Futaba S9001 在 時扭力為 、速度為 秒，在 時扭力為 、速度為 秒。當然，有的舵機可以在 7V 以上工作，比如 12V 的舵機也不少。選擇舵機還需要看 配套 的控制卡所能提供的電壓。 舵機的控制一般需要一個 20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為~。 NI ELVIS 虛擬儀器教學(xué)實驗 系統(tǒng)實際上就是將 LabVIEW 和 NI的 DAQ 設(shè)備相結(jié)合，綜合應(yīng)用得到一個 LabVIEW 的教學(xué)實驗產(chǎn)物，它包括硬件和軟件兩部分： 1） 硬件包括 一臺可運行 LabVIEW 的計算機，一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，一根 68針電纜 7 和 NI ELVIS 教學(xué)實驗操控工作臺； 2） 軟件則包括 Lab VIEW 開發(fā)環(huán)境、 NIDAQ、可以針對 ELVIS 硬件進行程序設(shè)計的一系列 LabVIEW API 和一個基于 LabVIEW 設(shè)計虛擬儀器軟件包。 NI ELVIS 集成了多個實驗室常用通用 一起的功能，實現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實驗設(shè)計一體化。用戶只需要一臺 NI ELVIS 就可以完成信號分析（示波器、動態(tài)信號分析儀、信號源、波特圖分析儀、阻抗分析儀、電流電壓分析儀、數(shù)字萬用表、直流電源等儀器的功能） 。 ELVIS 平臺工作站 及 原型實驗 板 平臺工作站和 DAQ 設(shè)備共同組建成 了一個完整的實驗 測試 系統(tǒng) ， ELVIS 的 平臺工作站 硬件部分 如圖 。 基于 NI ELVIS的 軟件可以在 SFP 儀器間傳送 NI ELVIS平臺工作站上的信號。平臺工作站伴 有 DAQ 設(shè)備的 一個保護板來避免 實驗錯誤對設(shè) 8 備 可能造成的傷害 。這種設(shè)置下可以直接訪問 DAQ 設(shè)備的 DIO線。當可調(diào)電源處于手動模式時，用戶只能使用以下部分說明的控制方式。負電源的輸出范圍是 12～ 0V。負電源的輸出范圍是 0～ +12V。當函數(shù)發(fā)生器處于手 動模式時，只能使用在以下說明的控制方式： ① 手動開關(guān)（ MANUAL）：控制函數(shù)發(fā)生器是處于手動還是軟件控制模式； ② 函數(shù)選擇器：選擇產(chǎn)生哪一種波形。 ① 電流香蕉型插孔（ Current）： — HI：測量除了電壓、還有電流、電阻時的正輸入； — LO：測量除了電壓、還有電流、電阻時的負輸入； ② 電壓香蕉型插孔（ Voltage）： — HI：測量電壓的正輸入； — LO：測量電壓的負輸入； ⑺ 示波器（ Scope）連接器：如果把不同信號同時連到原型實驗板上的示波器端子和控制面板上的示波器連接器上，就會造成短路，可能損壞原型實驗板上的電路。如圖 所示。原型實驗板通過一個標準的 PCI連接器連到平臺工作站上，組建自定義電路和 NI ELVIS一起使用。 原型實驗板 部件概述 ： 原型實驗板電源：原型實驗板提供一個177。 ⑴ 模擬輸入，示波器，可編程函數(shù)輸入輸出信 號排； ⑵ 數(shù)字輸入輸出信號排； ⑶ LED 燈； ⑷ DSUB 連接器； ⑸ 計數(shù)器 /時鐘，用戶可編程 I/O，直流電源信號排； ⑹ 數(shù)字萬用表，函數(shù)發(fā)生器，用戶可編程 I/O，可調(diào)電源信號排； ⑺ LED 燈電源； ⑻ BNC 連接器； ⑼ 香蕉插孔連接器； 配置 ELVIS 的軟件及配 置 用戶在使用 NI ELVIS 之前，必須通過選擇連到 NI ELVIS 平臺工作站的 DAQ 設(shè)備來 10 配置 NI ELVIS 軟件。 ⑵ 選擇 Start→ Programs→ National Instruments→ NI → NI ELVIS，打開 NI ELVIS 儀器啟動器。注意：如果有錯誤產(chǎn)生，那么僅有 Configure 按鈕可用。 ⑸ 單擊窗口通信部分中的 Check（檢查）按鈕來檢驗與 NI ELVIS 平臺工作站的通信。如果嘗試失敗，會出現(xiàn)一條錯誤信息，狀態(tài)窗口中的這條消息會指示“配置嘗試已失敗”。 NI ELVIS 自帶用 LabVIEW 編制的 SFP 儀器連同源代碼，用戶不可以 直接修改可執(zhí)行文件，但 是能夠 通過修改代碼來 實現(xiàn) 修改或增強這些儀器的功能， 而 這些儀器是在典型的實驗室應(yīng)用中必須使用 到的虛擬儀器（ VIs）。 為了使用 NI ELVIS，連接到 NI ELVIS 硬件上的計算機中的 DAQ 設(shè)備必須滿足以 下最低要求： ⑴ 16 個 AI 通道，最低采樣率 200kS/s； ⑵ 2個 AO通道； ⑶ 8個 DIO 線； ⑷ 2個計數(shù)器 /定時器； 使用適當?shù)碾娎|時， NI ELVIS 也支持 64 個 AI通道的 DAQ 設(shè)備， NI ELVIS 不支持只有 DIO 的設(shè)備或使用 USB 的 NI DAQPad602E。正常操作時，開關(guān)處于正常模式， DIO 總線連到 NI ELVIS 硬件上，允許使用軟件對其進行控制。 NI ELVIS 允許旁路模式通信 VI（ Enable Communications Bypass VI）在開關(guān)置于旁路模 式時生效，在用戶撥動開關(guān)并運行 VI后， DIO 總線連到原型實驗板上的 DI總線上。 12 2 舵機 測試儀 系統(tǒng)設(shè)計 舵機測試儀系統(tǒng)總方案 一、硬件結(jié)構(gòu) 從 構(gòu)建系統(tǒng)的成本，靈活性，方便性和開發(fā) 的速度，及 許多其他的因素的 考慮 ，本次設(shè)計 選擇用 NI ELVIS 為硬件基礎(chǔ)并 基于 LabVIEW 軟 件平臺進行舵機測試儀 系統(tǒng)的設(shè)計。 在該 系統(tǒng)中 , 基于計算機 和 ELVIS 的 軟件測試平臺為測試 提供信號源 , 數(shù)據(jù)采集卡給予舵機激勵信號，舵機接收信號并通過內(nèi)部電路輸出反饋信號， 經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化的舵 機 反饋信號 最后通過虛擬儀器測試軟件顯示在計算機上的 LabVIEW 用戶控制面板上 , 并根據(jù)該信號和舵激勵信號計算出舵機的相關(guān)特性參數(shù) , 實現(xiàn)測試系統(tǒng)的測試要求。 圖 舵機虛擬測試機構(gòu)原理圖 二、軟件結(jié)構(gòu) 在每一個功能模塊的軟件設(shè)計過程中 , 按照模塊化和層次化的設(shè)計原則 , 根據(jù)由頂舵機 1 舵機 2 舵機 4 舵機 4 D/A