近年來，虛擬儀器技術在航空、航天、航海、通信、汽車、半導體、生物醫學等眾多領域得到了廣泛應用，從簡單的儀器控制、數據采集到尖端的測控和工業自動化，從大學實驗室到工業現場，從探索研究到技術集成，可以發現虛擬儀器技術應用的很多實例。國內外學者對此作了很多的研究工作，也發表了不少相關文章或論文，但在運動控制方面，卻探討的不多。因此，筆者想就虛擬儀器技術在步進電機控制系統中的應用，談談自己的一些初步探討和體會。

一、虛擬儀器與運動控制

1. 虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW

虛擬儀器(即Virtual Instrument，簡稱NI)是一種基于計算機的儀器，就是在通用計算機上加上軟件和(或)硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用的傳統電子儀器。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術的出現，徹底打破了傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術給用戶一個充分發揮自己的才能、想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用需求。

虛擬儀器系統是計算機系統與儀器系統技術相結合的產物。它利用PC計算機強大的圖形編程環境和在線幫助功能，結合相應的硬件，快速建立人機交互界面的虛擬儀器面板，完成對儀器或設備的控制、數據分析與顯示，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能，方便地對其進行維護、擴展、升級等。

LabVIEW是美國NI公司利用虛擬儀器(virtual instnlments)技術開發的32位，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW同時也是一一種功能強大的圖形編程語言，但它與傳統的文本編程語言(如c語言)不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言(graphical language)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業的工程師快速編制程序。LabVIEW也不同于傳統文本式的編程語言的順序執行方式，而是采用了數據流的執行方式，這種方式要求程序僅在各節點已獲得它的全部數據后才執行。

多任務并行處理一般是通過多線程技術來實現的，不同的任務實際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術，而且與傳統文本式的編程語言相比，有兩大優點：LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對線程進行創建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數據流的執行方式，因此在調試程序時，可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態，這使編程者很容易理解多任務的概念。

LabVIEW圖形化編程語言有效地利用了當今圖形用戶接口的點擊特性。編寫程序只包含以下的一些簡單步驟：

用鼠標選擇儀器函數作為對象；
描述測試步驟和對象之間的關系；
建立初始條件。
2. 運動控制

運動控制卡是一種基于PC機、用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現主要是因為：

為了滿足新型數控系統的標準化、柔性、開放性等要求；
在各種工業設備、國防裝備(如跟蹤定位系統等)、智能醫療裝置等設備的自動化控制系統研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；
PC機在各種工業現場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構成主從式控制結構：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作 (例如鍵盤和鼠標的管理、系統狀態的顯示、運動軌跡規劃、控制指令的發送、外部信號的監控等等)；控制卡完成運動控制的所有細節(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。運動控制卡都配有開放的函數庫供用戶在相應系統平臺下自行開發、構造所需的控制系統。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業中設備自動化的各個領域。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，步進電機由于具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，成了控制系統的主要執行元件之一。步進電機的控制方法包括開環控制和閉環控制兩種。

二、基于虛擬儀器的步進電機控制系統整體結構與原理

一般運動控制系統主要由五部分構成：被移動的機械設備、運動I/O的馬達(伺服或步進)、馬達驅動單元、智能運動控制器、以及編程/操作接口軟件。

本系統的目標是利用筆者實驗室已有美國國家儀器公司(NI)的NI PCI 7354伺服/步進運動控制卡及其配套軟件、NI 7604伺服/步進驅動器及其配套軟件、兩相步進電機、LabVIEW軟件、多軸精密電移臺(負載)、PC機等構建一套步進電機運動控制系統，分別實現單軸、兩軸、三軸和四軸的運動控制，要求系統具有數控系統的基本功能，能實現不同坐標系下的直線、圓弧插補、速度控制、電子傳動等功能，以供實驗教學應用。系統整體結構框圖如圖1示。

圖1 系統整體結構框圖
1. NI PCI 7354運動控制卡

NI PCI 7354控制卡可同時控制包括交流和步進電機的4軸運動，能實現諸如點到點位置控制、速度控制、三維直線、圓弧、螺旋型和球形運動、電子傳動、混合運動、回程和限位控制、Trigger輸入和Breakpoint輸出等功能。NI PCI 7354的嵌入式固件是基于RT0S(實時操作系統)內核的，實時性強，通過簡單易用的運動控制器、軟件、以及外設提供集成方案的功能與能力，為一般伺服與步進應用提供精確、高性能的運動功能。該運動控制器可以使用支持Windows 2000/NT/Me/xp操作系統的LabVIEW、Measurement Studio(LabWindows/CVI、Visual Basic)以及C/C++進行編程。