项目五虚拟技术与机器人

机器人制作与编程项目五基于虚拟仪器技术的机器人机器人制作与编程项目导读早期的小型机器人一般是利用单片机技术对机器人上的电机进行控制，但是由于单片机技术包含电路的设计、程序的编辑。对于广大使用者来说，比较困难。尤其是程序的设计，需熟练掌握硬件结构以及软件程序机构，常用的C语言软件编程相对简单，对于硬件结构理解要求较高；而汇编语言编辑虽然对硬件方面易于理解，但是程序编辑起来过于繁杂；而虚拟仪器程序图形化编程简单易懂，硬件定义简单，可以直接固化到芯片上。本项目以LabVIEW8.5为例，介绍虚拟仪器使用方法，使学生能够利用虚拟仪器实现对小型机器人的操作和编程。机器人制作与编程最终目标熟悉机器人控制过程；能够对利用LabVIEW8.5和数据通信卡实现对机器人进行操作及编程促成目标1.熟悉虚拟仪器系统中基本组成以及各部分功能2.掌握LabVIEW8.5软件的安装调试过程3.熟悉LabVIEW8.5软件数据定义，程序结构4.掌握利用数据通信卡对现场数据进行采集，并利用LabVIEW8.5对采集信号进行跟踪处理5.能进行LabVIEW8.5与数据通信卡的数据通信，利用示波器对信号进行分析，并进一步能对步进电机进行控制6.能正确将LabVIEW8.5程序写到芯片上并完成系统综合调试机器人制作与编程5.1虚拟仪器基础5.1.1虚拟仪器概念虚拟仪器的起源可追溯到20实际70年代，“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation,NI）认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。机器人制作与编程虚拟仪器主要由通用的计算机资源（例如微处理器、内存、显示器等）、应用软件和仪器硬件（例如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的读取、分析处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。机器人制作与编程虚拟仪器具有以下特点①虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块，而不必重新购买整个仪器。②在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要作用。③虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。④虚拟仪器的研制周期较传统仪器大为缩短。⑤虚拟仪器的性价比高。⑥由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术的基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。⑦虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面，传统仪器界面比较呆板机器人制作与编程5.1.2虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采集设备（包括各种I/O接口设备、通信适配器、模块化仪器机箱等）以及计算机组成。其中计算机是虚拟仪器硬件平台的核心；传感器是虚拟仪器系统中的前置部件，将被测的非电量转换为电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波、隔离等；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行采样、放大、模数转换等。根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分为PC-DAQ系统、GPIB系统、VXI/PXI/LXI系统、串口系统、现场总线系统等。（1）PC-DAQ系统就是一个具有仪器特征的数据采集系统。该系统将具有信号调理、数据采集电路的硬件板/卡插入PC的ISA或PCI总线的槽口上，再配合各种功能的软件，便可实现具有电压测量、示波器、频率计、频谱仪等多种功能的仪器。这是最基本的虚拟仪器硬件系统，性价比比较高。其缺点是受PC机箱和总线的限制，电源功率有可能不足，机箱内部噪声电平较高，插槽数目有限、尺寸较小，机箱内无屏蔽等。机器人制作与编程（2）GPIB系统是一类仪器控制系统。GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）技术出现于20世纪70年代。典型的GPIB系统由一台PC，一块GPIB接口卡和若干台含GPIB接口的仪器通过电缆连接而成。在标准配置下，一块GPIB接口卡可以带14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB具有广泛的软硬件支持，测量系统的结构和命令简单，可以方便的将多台仪器组合起来形成自动测试系统。GPIB系统的缺点是无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时带宽不足。（3）VXI/PXI/LXI系统。这是一类模块化的仪器系统，其硬件结构与工控机类似。每种仪器都是一个计算机插件，每种仪器都没有硬件构成的仪器面板，而由计算机显示屏替代。（4）VXI（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）总线技术出现在20世纪80年代。VXI总线的出现将高级测量与测试设备带入模块化领域。目前这类系统已经逐步退出市场。（5）PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）总线技术出现于20世纪90年代。该总线是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的，具有高度的可扩展性（有8个扩展槽，一般台式机PCI只有3~4个扩展槽），传输速率可达到132Mb/s，PXI系统是目前使用较多的一类模块化虚拟仪器系统。机器人制作与编程（6）LXI（LANeXtensionsforInstrumentation）总线技术出现于2004年，是继GPIB技术、VXI/PXI技术之后的新一代基于以太网络LAN的自动测试系统模块化构架平台标准。以太网的错误检测、故障定位、长距离互联、树状拓扑结构以及网络传输速度等都比现有的总线技术优越。因此，LXI系统可能成为虚拟仪器系统发展的主流方向。（7）串口系统。串口式虚拟仪器系统所采用的总线包括RS232串口总线，USB通用串行总线和IEEE1394总线。RS232串口总线是传统的串口总线方式，技术已相当成熟，适用于对测量要求不高的场合。USB通用串行总线和IEEE1394总线具有传输速率高、可以热插拔、联机使用方便等特点，具有很好的发展前途。（8）现场总线系统。现场总线（FieldBus）是指用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的智能双向、多变量、多点、多站的通信系统，其可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价低、维护成本低。随着现场总线技术的广泛应用，基于现场总线技术的虚拟仪器系统的开发具有广阔的市场前景。机器人制作与编程5.1.3虚拟仪器的软件系统与虚拟仪器硬件模块在世界范围内的开放与标准化相适应，虚拟仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的格式与标准。为此，1993年VPP（VXIPlug&Play）联盟成立，其目的在于补充和发展VXI总线规范中对虚拟仪器软件结构的定义。目前，VPP规范已被广大的仪器生产厂家所接受和使用。根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构如图5-2所示，从底层到顶层分别为：输入输出接口层、仪器驱动程序层和应用软件层机器人制作与编程虚拟仪器软件框架机器人制作与编程输入输出接口层该层位于仪器与仪器驱动程序之间，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在VPP系统中详细规定了虚拟仪器I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）软件，对于仪器驱动开发者来说，VISA是一个可调用的操作函数集，其一般驻留在计算机资源管理器中，仪器驱动程序对于它的调用可以通过动态链接库的形式来实现。机器人制作与编程仪器驱动程序层在虚拟仪器系统中，每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供能用于仪器操作的、较抽象的操作函数集。应用程序对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；而仪器驱动程序对于仪器的操作与管理是通过调用VISA库函数来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，即使在不十分了解仪器内部操作过程的情况下，也可以开展虚拟仪器的设计工作。机器人制作与编程应用软件层应用软件层是建立在仪器驱动程序层之上，直接面向使用者，通过提供友好直观的仪器操作界面、丰富的数据分析与处理功能来实现自动测试任务。应用软件开发环境的选择因开发人员的喜好的不同而不同。但无论哪种开发环境，都必须给用户提供界面友好、功能强大的应用程序。目前，虚拟仪器应用软件的编写大致可分为两种形式：（1）利用通用编程语言进行编写，主要有Microsoft公司的VisualBasic与VisualC++、Borland公司的Delphi和C++Builder等。为了降低利用通用编程语言开发虚拟仪器应用软件的难度，NI公司推出了MeasurementStudio，其包含了一些面向VisualBasic和VisualC++、专门用于测控领域的ActiveX，以方便用户采用通用语言开发虚拟仪器应用软件。（2）利用专业测控语言开发平台进行编写，可以分两种。一种是基于图形化的编程语言，如HP-VEE和NI公司的LabVIEW；另一种是可视化编程语言，如NILabWindows/CVI。机器人制作与编程5.1.4虚拟仪器设计方法虚拟仪器的设计方法和步骤与传统仪器有较大的差别，这主要是由于软件的作用在虚拟仪器中被大大加强了。同样，由于虚拟仪器的软件和硬件有着紧密的关系，因而虚拟仪器应用软件的开发与一般的软件开发也有较大差别。总体上看，虚拟仪器的设计更像一般的测控系统设计。机器人制作与编程虚拟仪器设计步骤和过程确定虚拟仪器类型由于虚拟仪器的种类较多，不同类型的虚拟仪器的硬件结构相差较大，因而在设计时必须首先确定虚拟仪器的类型。虚拟仪器类型的确定主要考虑以下几个方面。1.被控对象的要求以及使用领域用户设计的虚拟仪器首先要能满足应用要求，能更好的完成测试任务。例如，在航空航天领域，对仪器的可靠性、快速性、稳定性等要求较高，一般需要选用PXI总线型的虚拟仪器；而对普通实验室用的测试系统，采用PC-DAQ型虚拟仪器即可满足要求。2.系统成本不同类型的虚拟仪器的构建成本是不同的，在满足测试应用要求的情况下应结合系统成本来确定仪器的类型。机器人制作与编程3.开发资源的丰富性为了加快虚拟仪器系统的研发，在满足测试应用要求和系统成本要求的情况下，应选择有较多软、硬件资源支持的仪器类型。4.系统扩展和升级由于测试任务的变换和测试要求的提高，经常要对虚拟仪器进行功能扩展和升级。因此，在确定仪器类型时，必须考虑这方面的问题。如进行VXI总线仪器设计时，在选择机箱时要考虑硬件板卡的扩展槽数。5.系统资源的再用性由于虚拟仪器系统可根据用户要求进行定制，因而同样的硬件经不同的组合，再配和相应的应用软件，便可实现不同的功能，因此要考虑系统资源的再用性。机器人制作与编程选择合适的虚拟仪器软件开发平台当虚拟仪器的硬件确定后，就要进行硬件的集成和软件开发。在具体选择软件开发平时，要考虑开发人员对开发平台的熟悉程度、开发成本等。尽管目前LabVIEW是越来越多人的首要选择，但仍然存在其他的可选对象，特别是当必须使用的硬件与LabVIEW的衔接有困难时。机器人制作与编程开发虚拟仪器应用软件根据虚拟仪器要实现的功能确定应用软件的开发方案。应用软件不仅要实现期望的仪器功能，还要设计出生动、直观、形象的仪器“软面板”，因此软件开发人员必须与用户沟通，以确定用户能接受和熟悉的数据显示和控制操作方式。机器人制作与编程4.系统调试系统调试主要包括硬件调试和软件调试。在调试方法上可以首先用仿真方式或利用