摘" 要" 自動(dòng)門(mén)控制模擬系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)課程的實(shí)踐項(xiàng)目之一，該實(shí)踐項(xiàng)目主要是訓(xùn)練計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，運(yùn)用NI-DAQmx中計(jì)數(shù)器輸出功能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制，運(yùn)用計(jì)數(shù)器輸入功能及數(shù)字量輸入功能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)度（編碼器）信號(hào)及有無(wú)人進(jìn)出信號(hào)的采集。項(xiàng)目涉及多個(gè)硬件模塊，集成多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。實(shí)踐證明：所設(shè)計(jì)的實(shí)踐項(xiàng)目能有效提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞" 虛擬儀器技術(shù)；計(jì)數(shù)器I/O；自動(dòng)門(mén)控制模擬系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.44" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）08-0037-05

Research and Implementation of Counter Application"Practice Project Based on LabVIEW and PCI6221//CHEN

Fei， XIE Qi， XU Huigang， ZHANG Hao

Abstract" Automatic door control simulation system is one of"the practical projects of virtual instrument technology course."In this project， the output function of the counter in NI-DAQmx"is used to control the operation of the stepper motor， which si-mulates the automatic door opening or closing. And the input function of the counter and the digital input function are used"to realize the acquisition of encoder and sensor signals， which"are the opening and closing degree of the door and whether someone is in or out. The practice project involves multiple hardware modules and integrates multiple knowledge points."Practice has proved that the designed practice project can effectively improve students’ practical ability and problem-solving ability.

Key words" virtual instrument technology; counter I / O; auto-matic door control simulation system; LabVIEW

0" 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等的進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅速，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、自動(dòng)化、通信、電子等領(lǐng)域[1]。虛擬儀器技術(shù)課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)應(yīng)用性、實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)掌握虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和技能，增強(qiáng)利用LabVIEW、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)硬件設(shè)備解決實(shí)際測(cè)量測(cè)試問(wèn)題的能力，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程和從事相關(guān)測(cè)試測(cè)量行業(yè)工作奠定基礎(chǔ)。為了使課程的實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）環(huán)節(jié)與企業(yè)工程實(shí)踐緊密結(jié)合，學(xué)院組織課程組教師走訪(fǎng)蘇南地區(qū)多家企業(yè)，了解企業(yè)對(duì)從事自動(dòng)化測(cè)試行業(yè)學(xué)生能力的需求及對(duì)課程實(shí)踐的要求，確定虛擬儀器技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)包含數(shù)字量I/O、模擬量I/O和計(jì)數(shù)器I/O的實(shí)踐，同時(shí)能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目中常用的程序架構(gòu)運(yùn)用于其中。課程組根據(jù)企業(yè)對(duì)學(xué)生能力的要求、課程所支撐的畢業(yè)要求的分析，同時(shí)兼顧學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)虛擬儀器技術(shù)課程實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免實(shí)踐項(xiàng)目功能單一問(wèn)題；項(xiàng)目實(shí)施采用邊講邊做、理實(shí)一體化教學(xué)模式，避免實(shí)踐過(guò)程監(jiān)控不夠的現(xiàn)象[2]。

針對(duì)計(jì)數(shù)器I/O的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，在實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)中硬件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)方法需考慮與工業(yè)應(yīng)用技術(shù)相通，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)到的技術(shù)基礎(chǔ)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法在將來(lái)工作中的運(yùn)用[3]。課程組通過(guò)討論，提出計(jì)數(shù)器應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目——基于LabVIEW和NI-PCI6221的自動(dòng)門(mén)控制模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該實(shí)踐項(xiàng)目通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向、運(yùn)行速度的控制來(lái)模擬自動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)門(mén)的速度，通過(guò)編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)或角度進(jìn)行檢測(cè)來(lái)模擬自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)是否到位，用接近傳感器來(lái)模擬是否有人進(jìn)出。以下從實(shí)踐項(xiàng)目的要求、目的、硬件平臺(tái)、軟件設(shè)計(jì)及項(xiàng)目實(shí)施與考核展開(kāi)詳細(xì)說(shuō)明。

1" 計(jì)數(shù)器應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目要求及目的

1.1" "實(shí)踐項(xiàng)目要求

項(xiàng)目要求運(yùn)用LabVIEW、NI-DAQmx、NI-PCI6221數(shù)據(jù)采集卡、編碼器和步進(jìn)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)門(mén)控制的模擬。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和方向，模擬自動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)，使用編程器測(cè)量當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)判斷門(mén)是否完全打開(kāi)或關(guān)閉，使用接近開(kāi)關(guān)來(lái)模擬是否有人靠近自動(dòng)門(mén)。運(yùn)用LabVIEW和NI-DAQmx軟件，選擇合理的程序架構(gòu)設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)如下基本功能。

1）點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)。

2）當(dāng)有人靠近且門(mén)未打開(kāi)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)模擬開(kāi)門(mén)狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)門(mén)達(dá)到一定角度時(shí)，停若干時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)行關(guān)門(mén)，用電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)模擬關(guān)門(mén)；若在關(guān)門(mén)期間有人靠近，則停止關(guān)門(mén)后進(jìn)行開(kāi)門(mén)處理。同時(shí)，開(kāi)關(guān)門(mén)的過(guò)程可形象地展現(xiàn)在前面板上。

1.2" "實(shí)踐項(xiàng)目目的

通過(guò)本項(xiàng)目使學(xué)生：

1）了解并掌握PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的Count功能及使用；

2）了解步進(jìn)電機(jī)的特性及使用方法，學(xué)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制程序設(shè)計(jì)；

3）了解編碼器的特性及使用方法，學(xué)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器信號(hào)的讀取程序設(shè)計(jì)；

4）了解接近開(kāi)關(guān)的特性使用方法，學(xué)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的讀取程序設(shè)計(jì)；

5）掌握LabVIEW前面板動(dòng)態(tài)界面設(shè)計(jì)技巧；

6）進(jìn)一步熟悉并掌握狀態(tài)機(jī)架構(gòu)或生產(chǎn)者/消費(fèi)者架構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法。

2" 實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1" 實(shí)踐項(xiàng)目硬件平臺(tái)構(gòu)建

在硬件平臺(tái)的構(gòu)建中選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有LabVIEW軟件和NI-PCI6221數(shù)據(jù)采集卡分別對(duì)電機(jī)運(yùn)行、編碼器及接近開(kāi)關(guān)的信息進(jìn)行控制和采集。將電機(jī)、編碼器和接近開(kāi)關(guān)構(gòu)建成一個(gè)一維平臺(tái)，如圖1所示：選用17HS3401兩相混合式42步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)電流為1.2～1.5 A，步距角為1.8°，200脈沖/圈，最高轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分，選用專(zhuān)用的42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；編碼器選用HN3806-AB-600N，為光電增量式AB兩相，600脈沖，NPN類(lèi)型；接近傳感器選用瑞科方形SN04-N，為三線(xiàn)制，NPN常開(kāi)型；滑臺(tái)絲桿螺距為4 mm/圈；滑臺(tái)上搭載一置物臺(tái)，可以放其他的傳感器或視覺(jué)設(shè)備等，也可將其擴(kuò)展為二維平臺(tái)。

此實(shí)踐項(xiàng)目主要是訓(xùn)練學(xué)生掌握NI-DAQmx中計(jì)數(shù)器I/O的使用，因此在NI-PCI6221采集卡端口的使用中選擇計(jì)數(shù)器端口，其硬件接線(xiàn)如圖2所示[4]：計(jì)數(shù)器ctr0（PFI12）輸出脈沖波控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PUL+相連；P0.0控制步進(jìn)電機(jī)的方向，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DIR+相連；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用共陰接法；計(jì)數(shù)器ctr1獲取編碼器A、B相脈沖，從而計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的角度（圈數(shù)）；PFI3與編碼器A相（白色）相連，PFI11與編碼器B相（綠色）相連，因編碼器信號(hào)輸出屬于集電極開(kāi)路，所以電路中加了上拉上阻（4.7 kΩ）；P0.1通過(guò)光電耦隔離器與接近傳感器相連。

2.2" 實(shí)踐項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是自動(dòng)門(mén)控制模擬系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)如果有人進(jìn)入，門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，停留數(shù)秒，等人進(jìn)入后，門(mén)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。在關(guān)門(mén)過(guò)程中，如果正好有人經(jīng)過(guò)，門(mén)會(huì)再次打開(kāi)，數(shù)秒后，進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。考慮采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者架構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。生產(chǎn)者循環(huán)實(shí)現(xiàn)前面板按鍵的觸發(fā)，即系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行和停止。消費(fèi)者循環(huán)中涉及以下兩點(diǎn)：

1）開(kāi)關(guān)門(mén)操作（步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制）；

2）是否有人進(jìn)出（接近開(kāi)關(guān)信息讀取）、開(kāi)關(guān)門(mén)是否到位（編碼器信息讀取）的判斷。

綜合考慮系統(tǒng)采用基于事件結(jié)構(gòu)的單生產(chǎn)者/多消費(fèi)者架構(gòu)[5]，生產(chǎn)者循環(huán)通過(guò)隊(duì)列1和隊(duì)列2將命令傳遞給兩個(gè)消費(fèi)者，如圖4所示：消費(fèi)者1循環(huán)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)操作，即步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的控制，其包含初始化、開(kāi)門(mén)、暫停、關(guān)門(mén)和停止五個(gè)狀態(tài)；消費(fèi)者2循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器和接近開(kāi)關(guān)信息的讀取，并作出是否有人進(jìn)出及開(kāi)關(guān)門(mén)是否到位的判斷，從而將開(kāi)門(mén)、暫停及關(guān)門(mén)的命令通過(guò)隊(duì)列1傳遞給消費(fèi)者1循環(huán)。系統(tǒng)包含初始化、測(cè)位和停止三個(gè)狀態(tài)，程序前面板和框圖如圖5所示。

3" 實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程及考核

由于實(shí)踐項(xiàng)目隸屬于虛擬儀器技術(shù)的其中一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，涉及多個(gè)硬件模塊、多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，因此在實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中采用的是邊講邊練、理實(shí)一體化的教學(xué)模式，課程在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展。本項(xiàng)目涉及的任務(wù)、知識(shí)及任務(wù)具體實(shí)施及所培養(yǎng)的能力如表1所示[6-7]。

自動(dòng)門(mén)模擬控制系統(tǒng)課時(shí)為10課時(shí)，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的形式開(kāi)展，每個(gè)團(tuán)隊(duì)2～3人，實(shí)踐項(xiàng)目考核采用線(xiàn)上、線(xiàn)下相結(jié)合的過(guò)程化考核方式。表1中任務(wù)列中已經(jīng)給出各環(huán)節(jié)所占的分值，其中熟悉實(shí)踐項(xiàng)目要求和熟悉硬件等的考核是通過(guò)線(xiàn)上測(cè)試完成，其他的考核項(xiàng)在線(xiàn)下完成。軟硬件方案論證主要考核學(xué)生給出方案的合理性、可實(shí)施性、可拓展性；硬件接線(xiàn)及模塊測(cè)試考核學(xué)生接線(xiàn)、走線(xiàn)的規(guī)范性及硬件模塊測(cè)試過(guò)程是否合理；軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試運(yùn)行首先考核系統(tǒng)是否能按要求正常運(yùn)行，程序是否存在漏洞及程序設(shè)計(jì)的規(guī)范性；針對(duì)所做的工作，最終學(xué)生需提交項(xiàng)目過(guò)程記錄表，即對(duì)項(xiàng)目要求、方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試等給出書(shū)面表述。

4" 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)門(mén)模擬系統(tǒng)實(shí)踐項(xiàng)目涉及數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)、編碼器、接近開(kāi)關(guān)等硬件和DAQmx的計(jì)數(shù)器I/O程序設(shè)計(jì)及生產(chǎn)者/消費(fèi)者架構(gòu)或狀態(tài)機(jī)架構(gòu)的使用，涉及的知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)，所用的硬件都是企業(yè)項(xiàng)目中所用的器件，在鍛煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的同時(shí)能很好地滿(mǎn)足企業(yè)相關(guān)人才的需求。該實(shí)踐項(xiàng)目已在自動(dòng)化2016級(jí)、2017級(jí)（現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)方向）中實(shí)施，并取得良好的教學(xué)效果。2017級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：83%的學(xué)生掌握了運(yùn)用LabVIEW、NI-DAQmx和數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的方法；78%的學(xué)生能夠根據(jù)用戶(hù)需求，通過(guò)查找資料、相互討論，給出可行的解決方案；85%的學(xué)生能夠根據(jù)已定方案進(jìn)行硬件選型，完成硬件接線(xiàn)及測(cè)試；75%的學(xué)生能夠運(yùn)行生產(chǎn)者/消費(fèi)者或狀態(tài)機(jī)架構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，并完成系統(tǒng)調(diào)試，同時(shí)能夠?qū)υ嚱Y(jié)果及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和解釋。

學(xué)校與企業(yè)緊密聯(lián)系，在課程教學(xué)和實(shí)踐中融入企業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)需求，吸引蘇南地區(qū)眾多從事非標(biāo)測(cè)試測(cè)量的企業(yè)來(lái)校招聘，反饋良好。

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*項(xiàng)目來(lái)源：2019年教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)專(zhuān)業(yè)教育教學(xué)改革研究課題立項(xiàng)項(xiàng)目“智能制造背景下業(yè)界深入融入的自動(dòng)化卓越現(xiàn)場(chǎng)工程師培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（2019A21）；江蘇省高等教育教學(xué)改革研究課題“1+1+N多主體協(xié)同育人的智能制造人才培養(yǎng)新模式研究與實(shí)踐”（2019JSJG034）；本論文得到江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助（2018年江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”培養(yǎng)對(duì)象—自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)）。

作者：陳飛、謝啟，常熟理工學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)與先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)；徐惠鋼，常熟理工學(xué)院，教授，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化；張浩，常熟理工學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)（215500）。