基于 VB 的数据采集及反馈控制系统设计 The scheme of data acquisition and feedback control system based on VB 胡亮, 邝业成, 李意峰, 余有龙 Hu Liang, Kuang Yecheng, Li Yifeng, Yu Youlong ( 暨南大学光电工程研究所, 广东广州 510632) Institute of Opto-electronical Engineering, Jinan University, Guangzhou, China, 510632 摘要 : 在串口通讯的基础上利用 VB6.0 开发了数据采集及反馈控制系统, 通过两个串口, 计算机能够同时与锁相放大器和机械手控制电路进行通信 系统可以对数据进行采集并调用 EXCEL 表格自动记录, 通过对采集到的数据进行分析, 实时调整机械手指的动作, 达到智能化反馈控制的效果 该设计经济可靠, 系统运行稳定, 可以满足实际项目使用的需要 关键词 : Visual Basic; 串行通信 ; 数据采集 ;MSComm;SR830 中图分类号 TP311 TP273 文章编号文献标识码 A Abstract Developed the system of data acquisition and feedback control on the basis of serial communication, the computer can communicate with the DSP lock-in amplifier and the control circuit at the same time from two serial ports. The system can read data automatically and record the data by calling EXCEL. By real-time analyzing the data, the program can send command to the control circuit of the manipulator so that the fingers can adjust their action. It can reach the result of intelligent feedback control. It is showed that the scheme is economical and reliable,the system operates stable, it can meet the challenge of the project. Key words: Visual Basic; serial communication; read data; MSComm; SR830 1 引言在当今社会, 生产技术和生产工艺不断发展 改进, 在某些方面机械手已经逐步取代了人类劳动, 它既可以用于实际生产, 能够满足装配作业中频繁的重复操作 ; 又可以用于教学实验和科学研究, 在宇航 深海探测 危险物清除等领域, 发展成熟的智能化机械手无疑是极佳的选择 因此开发设计智能机械手具有广泛的实际意义和广阔的应用前景 光纤光栅 (FBG) 传感网络是机械手智能化的理想选择, 它类似于人的神经系统, 网络中的 FBG 传感元就类似神经元, 用于感测所在区域机械手指表面承受的作用力 控制系统可根据感测系统获得的数据, 调节驱动参数, 从而确定机械手的动作 在上述机械手智能化的思想中, 数据采集及反馈控制是非常重要的技术环节 为了采集所需数据, 并及时向控制电路发送指令, 计算机与传感系统 机械手控制电路之间必须进行实时通信与数据交换 在现有的智能反馈控制系统中, 很多研究者采用单片机编程作为整个系统的核心控制部 [4] [5] 分 ; 也有研究者采用 MARC 技术, 引入反馈控制器达到对系统的差动同步控制 但是这些方法相对而言成本较高, 而且程序较为复杂, 对大部分仪器设备并不通用 在本系统中, 我们采用基于 VB 软件开发的串行通信技术 串行通信技术发展成熟,RS232 端口是计算机及众多测试仪器的标准配置之一, 且串行通信具有高效 可靠 简便 成本低等优点 Visual Basic 可视化程序设计语言简单易学, 功能强大, 可以使用标准的 Active 部件 ; 使用 VB 开发串行通信软件, 可以通过多个串口将计算机与仪器设备和控制终端连在一起, 实时采集所需的数据, 进而实现对数据的处理 检测 存储 指令发送等工作 2 系统硬件 本研究受教育部 新世纪优秀人才支持计划 项目 (NCET-04-0828) 和广东省自然科学基金重点项目 (04105843) 资助 E-mail:youlongyu@163.com
在此系统中主要硬件设备有 :Tektronix 公司的 AFG3102 函数信号发生器, 斯坦福公司 (Stanford Research Systems)SR830 锁相放大器,RS232 串口, 机械手及控制电路 SR830 锁相放大器是实验室中常用的高精度测量仪器, 利用数字锁相技术, 通过同步参考信号的输出实现低噪声的信号测量 SR830 采用标准的 GPIB 和 RS232 接口, 能够与计算机方便的实现数据通讯, 在此我们采用 RS232 接口与计算机相连 除了通过面板进行操作外, SR830 还支持上位机的通信指令, 通过指令可以完成对所有功能的调用 [1] 机械手的两个手指由两个步进电机分别控制, 实现手指的开合动作, 最小步进为 1 度 控制电路中使用单片机 ATMEGA8L 编程控制两个步进电机的动作, 只需通过串口向控制电路发送不同指令, 就能够分别控制两个手指转动的方向及角度 图 1 为系统通信示意图 在此系统中使用函数信号发生器提供两路同频信号, 模拟光纤光栅传感系统中的参考信号和待测信号, 并不断改变其相位差以体现传感器表面作用力不同时相移值的变化 锁相放大器对相位差数据进行扫描, 在计算机中软件通过串口 COM1 对相位差数据进行实时采集并分析, 然后通过串口 COM2 自动向控制电路发送指令以驱动机械手 SR830 DSP Lock-In Amplifier 锁相放大器 COM1 计算机 (PC) 数据采集及反馈控制 软件 COM2 Control Circuit 控制电路 AFG3102 Dual Channel Function Generator 函数信号发生器 Manipulator finger 机械手指 Fig. 1 Schematic diagram of data acquisition and feedback control system 图 1 数据采集及反馈控制系统示意图 3 程序设计 VB 在开发可视化环境下的串口通信系统时具有其独特的优势, 通过自带的通信控件 Microsoft Communications Control(MSComm), 能够方便地与外部设备通过串口进行数据交换 该控件屏蔽了通信过程中的底层操作, 只需设置并监视 MSComm 控件的属性和事件, 结 [2] 合 VB 提供的其它控件就可以完成对串口参数的初始化设置和数据的发送接收 3.1 软件界面设计由于需要同时通过两个串口进行通信, 必须加入两个 MSComm 控件, 并分别设定控件的端口值, 根据 SR830 及机械手驱动电路的联机速率值调整 Settings 等属性, 对两个串口参数进行初始化设置 加入两个 Timer 控件, 实现定时功能和系统时钟的显示 文本框控件 TextBox 可以方便输入数值及指令, 还可实时显示所采集的数据 命令按钮 CommandButton 主要执行单击事件, 当点击它时即可触发不同的命令 3.2 数据采集 存储及反馈控制程序的设计 3.2.1 程序初始化 初始化程序包括 : 串口初始化 ; 串口的波特率, 数据位, 奇偶校验位, 停止位的设定, 设定输入 输出缓冲区的大小 ; 对 RThreshold,SThreshold 属性进行设置等 ( 具体程序略 ) 3.2.2 数据自动采集模块加入 开始采集 θ 按钮, 按下后完成自动读取实时数据的任务 使用定时器实现定时采集的功能, 采集时间间隔可以通过改变 Timer 的 Interval 属性来实现 Timer 控件 Interval 属性的取值范围为 1~65535ms, 在本系统中, 由于串口通信有一定的时延, Interval 设置大于 500ms 时, 数据采集及存储时系统均能正常工作 基本语句如下 :
Private Sub Cmdcollect_Click() If Cmdcollect.Caption = " 开始采集 θ" Then Cmdcollect.Caption = " 数据采集中 " Shape1.FillColor = RGB(128, 255, 128) ' 改变 Shape 控件的颜色, 以显示系统状态 MSComm2.Output = "OUTP?4" + Chr$(13) ' 向 SR830 发送相位差数据采集指令, 在每条指令后都必须加上回车符 Chr$(13) Text2.Text = MSComm3.Input ' 将采集到的数据实时显示在面板上 Timer1.Enable = True ' 打开定时器 Private Sub cmdpause_click() ' 加入 停止采集 按钮, 用于中断数据采集任务 If Command2.Caption = " 数据采集中 " Then Command2.Caption = " 开始采集 θ" MSComm2.Output = "paus" + Chr$(13) ' 向锁相放大器发送暂停通信指令 Shape1.FillColor = RGB(255, 0, 0) ' 改变 Shape 控件的颜色, 以显示系统状态 3.2.3 调用 Excel 进行数据存储在工程中引用 Microsoft Excel 类型库 ; 从 工程 菜单选择 引用 栏, 选择 Microsoft Excel 10.0 Object Library, 表示在工程中要引用 Excel 类型库 基本语句如下 : Dim objexcel As Excel.Application ' 定义 EXCEL 类 Dim objworkbook As Excel.WorkBook ' 定义工作薄 Dim objsheet As Excel.Worksheet ' 定义工作表类 Set objexcel = CreateObject("Excel.Application") ' 引用 EXCEL 应用程序 objexcel.visible = True ' 设置 EXCEL 对象可见 Set objworkbook = objexcel.workbooks.add() ' 添加新的工作薄 Set objsheet = objexcel.worksheets(1) ' 设置活动的工作表 objsheet.active ' 激活工作表 objsheet.cells(1, 1) = " 相位差 θ" ' 给单元格赋值 objsheet.cells(2, 1) = " 时间 " objworkbook.runautomacros ("xlautoopen") ' 运行 EXCEL 宏 objworkbook.close (True) ' 关闭工作簿 objexcel.quit ' 结束 EXCEL 对象 Set objexcel = Nothing ' 释放 objexcel 对象调用计时器后, 可以实现数据的逐个存储, 并记录每个数据对应的存储时间, 数据值精度高, 存储延时控制在 10ms 左右, 完全满足系统需要 3.2.4 数据处理及指令发送加入 反馈控制开始 按钮, 按下后完成自动反馈控制任务 在初始程序中可以根据实验需要设定实现机械手指不同动作的指令, 以及与各条指令对应的相移值的范围 当从 COM2 读取到的相移值数据满足某一触发条件时, 程序即可马上通过 COM1 向机械手发送相应的指令, 驱动步进电机以调整机械手指的动作, 实现智能反馈控制的功能 当机械手表面所受作用力过大时就有可能损坏光纤光栅传感器, 因此在反馈控制程序中必须做出设置, 避免这种情况的发生 当作用力接近光纤光栅传感器承受的极限时 ( 体现在
相移值变化到某一确定值时, 该值可提前在实验中进行定标 ), 可以设置程序让机械手自动做出保护动作, 比如机械手指迅速远离施力点, 类似于人的条件反射动作 ; 或者在作用力接近极限时让系统发出蜂鸣声, 自动报警, 提醒实验者减小作用力 基本语句如下 : Private Sub cmdfeedback_click()' If cmdfeedback.caption = " 反馈控制开始 " Then cmdfeedback.caption = " 反馈控制中 " Dim Phase As Integer Phase = CDbl(Text2.Text) ' 定义 phase 显示为双精度变量 If " "<=Phase <= " " Then ' 设定采集数据大小范围, 以改变机械手值动作的触发条件 ' 以下为具体十六进制指令, 改变参数可以分别驱动不同机械手指及改变步进值 fincommand(1) = &HC8 fincommand(2) = &H1 fincommand(3) = "&H" + "75" ' 设定步进电机运行到 75 的位置 MSComm1.Output = fincommand ElseIf then 增加一段传感器自我保护的程序, 假设相位差为 180 时外部作用力达到光纤光栅传感器的承受极限, 则我们可以设置相位差超过 170 时系统自动发出报警声 Private Declare Function Beep Lib "kernel32" (ByVal dwfreq As Long, ByVal dwduration As Long) As Long ' 调用计算机蜂鸣器实现预警功能 Dim retval As Long If Phase > 170 Then retval = Beep(2000, 500) ' 定义蜂鸣器参数,2000 是频率 500 是时长 3.2.5 其他功能除了数据采集及存储 反馈控制等主要功能外, 该软件还设置了指令输入窗口, 可以通过输入 Model SR830 DSP Lock-In Amplifier 用户手册提供的各种指令, 完成对 SR830 锁相放大器所有功能的调用 ; 系统运行时, 在机械手初始角度 步进值设置等窗口中可以很方便的修改相关参数 ( 具体程序略 ) 4 结束语利用 VB6.0 能够很方便的开发基于串行通信的数据采集及反馈控制系统, 利用不同串口同时与仪器及反馈终端进行通信 在实际使用中, 本系统采集数据快速准确, 运行稳定, 完全可以满足实际项目的需要 本文所介绍的内容是基于光纤光栅传感器的智能化机械手的核心控制部分, 从经济效益角度来看, 该智能化机械手的生产将给使用传统电传感器的机械手市场带来冲击, 以每年生产 50 套计算, 预计年产值在 2500 万元左右 ; 如果结合智能机器人的生产, 经济效益更是不可估量 本文作者创新点 : 在智能机械手控制系统中引入了基于 Visual Basic 的串行通信技术, 通过两个 RS232 串口同时连接仪器与控制终端, 不仅能够实时采集仪器数据, 而且对机械手实现了智能化反馈控制 在系统中集成了调用 EXCEL 进行数据的实时存储, 调用计算机蜂鸣器进行报警等功能, 该系统经济可靠, 具有很好的应用价值
5 参考文献 [1] Model SR830 DSP Lock-In Amplifier 用户手册 [M].Copyright 1993 by Stanford Research Systems 1290-D Reamwood Avenue Sunnyvale, California 94089 U.S.A [2] 范逸之, 陈立元.Visual Basic 与 RS-232 串行通信控制. 清华大学出版社, 北京 ; 第一版,2002.6. [3] 张运波. 基于 PLC 的电机转速实时检测系统. 微计算机信息,2005,21(9-1):120~122. [4] 申屠南英, 高潮, 郭永彩. 基于微机测控技术的智能伺服操作系统. 重庆大学学报,2003,26(9):73~76. [5] 王纪森, 钟丹华. 基于 MRAC 的电液伺服作动器同步控制. 控制工程,2006.13(5):506~508. 作者简介 : 胡亮 (1981-), 男 ( 汉 ), 湖北武穴人, 暨南大学光电工程系硕士研究生, 主要从事光纤光栅传感技术及其在工程中的应用方面的研究 Biography: Hu Liang(1981-), Male(Han nationality), HuBei Province, Jinan University, Master of Optoelectronic Engineering, majors in researching of Fiber Bragg Grating Sensor and the application of FBG in Project. 通信地址 : 广东省广州市暨南大学理工学院光电工程系胡亮邮编 :510632 E-mail:huliang1016@126.com