LabVIEW NI SoftMotion和C系列驱动接口入门

本指南展示了如何使用美国国家仪器公司的LabVIEW NI SoftMotion Module和NI 951x C系列驱动接口来开发运动控制的应用。该应用使用了NI CompactRIO可重配置嵌入式系统以及LabVIEW、LabVIEW NI SoftMotion和NI-Motion驱动软件，用来执行一系列双轴运动。在开发这项应用的过程中，您可以学习到使用NI RIO Scan Interface开发运动应用的概念和技术。利用RIO Scan Interface，用户可以在LabVIEW Real-Time Module中，对C系列模块进行直接访问。

所需元件

这篇指南需要使用到下列软件：

• LabVIEW 2009 或后续版本
• LabVIEW Real-Time Module 2009或后续版本 
• NI-RIO 3.2.0或后续版本
• LabVIEW NI SoftMotion Module 2009或后续版本

这篇指南还需要使用下列硬件：

• CompactRIO 控制器和可提供Scan Interface(扫描接口)模式的机箱或NI 9144分布式机箱
• 两个 NI 9512 单轴步进式驱动接口
• 控制器电源
• 单独的模块电源
• 以太网连接和线缆

即使您没有指定的硬件，仍可以遵循这篇文章中的“LabVIEW NI SoftMotion Module指南”一节，进行离线的配置以学习在LabVIEW中使用该模块的方法。

LabVIEW NI SoftMotion Module概览

通过LabVIEW NI SoftMotion Module，您可以借助于LabVIEW Real-Time Module使用功能块编程范例和RIO Scan Interface构建确定性的运动控制应用。RIO Scan Interface让用户可以从LabVIEW Real-Time Module中直接访问C系列模块。

这篇文档包含了NI 951x C系列驱动接口和RIO Scan Interface应用开发方面的内容。需要了解关于在LabVIEW FPGA Module中使用NI 951x模块的信息，请查阅ni.com/manuals网站上的《NI 951x C系列模块和LabVIEW FPGA入门指导》。

需要使用NI SoftMotion功能块进行本指南中所说的双轴运行，可以在开环状态下使用NI 9512步进式驱动接口 —— 而不需要额外的反馈设备或其它硬件连接。

这篇指南中的配置参数，也许对实际的运动系统并不合适。为了演示的需要，我们对硬件连接进行了最小化。

设置硬件

完成下列步骤，为本指南中的应用设置硬件。

1. 如果您不是使用集成的控制器和背板，那么需要在现场可编程门阵列(FPGA)背板上安装CompactRIO实时控制器。查阅控制器操作指南，获得安装控制器的信息。

2. 在机箱的1和2插槽中，安装NI 9512步进式驱动接口模块。

3. 将模块连接到电源上。查阅模块操作指南，以选择合适的电源。

4. 将控制器连接到电源和拥有相同子网的以太网络中，以作为开发用的计算机。查阅控制器操作指南，获得关于将控制器连接到电源和以太网络的信息。

5. 将模块连接到驱动器和其它I/O上，如果条件允许的话请使用NI 9512-to-P7000 Stepper Drives Connectivity Bundle(NI 9512至P7000步进式驱动连接包)、NI 951x Cable and Terminal Block Bundle(NI 951x线缆和接线终端)，或者使用自定义线缆用于直接连接。

在控制器上安装和配置软件

完成下列步骤，在控制器上安装软件并进行配置。

1. 在开发计算机上，启动NI Measurement & Automation Explorer (MAX，NI测量与自动化导航器)配置工具。

2. 在配置窗格中的远程系统下选择控制器。如果没有看到控制器，那么您可能需要禁用开发计算机上的防火墙。

3. 检查识别中的序列号是否与设备上的序列号相符。

4. 如果您不想格式化控制器上的磁盘(那样会删除所有已经安装的软件和文件)，那么给控制器通电，并跳到步骤13。

5. 将控制器上的安全模式开关调到On的位置上。

6．给控制器通电。如果控制器已经通电了，那么按控制器上的Reset按钮，重新启动。

7.右键点击配置窗格中远程系统下的控制器，选择格式化磁盘。在出现的对话框里点击Yes。

8. 在MAX完成磁盘格式化之后，将安全模式开关调到Off的位置上，并按控制器上的Reset按钮，重新启动。

9. 选择自动获取IP地址单选按钮分配IP地址；或者选择使用以下IP地址单选按钮，在IP地址栏中指定静态IP地址。

10．在名称域中为系统输入描述性的名称。

11. 点击网络设置选项卡上的应用，让MAX重新启动系统。

12. 当新系统名称出现在远程系统下时，在列表中展开控制器条目，右击软件，并选择添加/删除软件。

13. 选择推荐的软件组合，其包含了NI-RIO 3.2.0或后续版本，且带有NI Scan Engine支持和下列附加功能：

• LabVIEW NI SoftMotion Module

• 对LabVIEW NI SoftMotion Module软件的NI Scan Engine支持

• NI-Motion 驱动软件

14. 点击下一步，在控制器上安装选择的软件。如果需要了解关于推荐软件组合的信息，请点击帮助。

15. 在MAX中完成控制器上的软件安装后，关闭MAX。

在扫描接口模式下创建工程

扫描接口模式允许用户从LabVIEW Real-Time中，直接访问C系列模块。这些模块出现在项目浏览器窗口中机箱条目下的扫描接口模式中。与多数C系列模块不同，NI 951x接口不是直接在项目浏览器窗口中配置的，该模块不支持直接可用的I/O变量。

在开发计算机上，使用LabVIEW项目管理VI、目标和I/O模块。完成下列步骤，来创建一个LabVIEW项目。

1. 启动LabVIEW。

2. 在启动窗口中点击 项目链接，显示项目浏览器窗口。也可以选择文件»新建项目，显示项目浏览器窗口。

3. 选择帮助，并确认显示即时帮助被选中。在整个指南中，您可以查阅上下文帮助，来获得方框图上条目的信息。

4. 右击项目浏览器窗口中的顶层工程项目，从快捷菜单中选择新建»终端和设备，显示添加终端和设备对话框。

5. 确认已有终端或设备单选按钮已被选中。

如果您没有安装硬件，可以选择新终端或设备单选按钮，显示出一系列在没有实物情况下即可创建的目标和设备。在这篇指南里，可以执行相似的离线配置步骤，学习使用CompactRIO和LabVIEW。

6. 展开Real-Time CompactRIO。

7. 选择添加到工程中的CompactRIO控制器，并点击OK。

8. 如果您已经安装了LabVIEW FPGA，将会出现选择编程模式对话框。选择Scan Interface，使系统处于扫描接口模式。

使用CompactRIO 属性对话框，改变已有工程中的编程模式。在项目浏览器窗口中的CompactRIO机箱上点击右键，从快捷菜单上选择属性，显示该对话框。

9. 如果出现查找C系列模块?对话框，请点击查找。

10. 点击继续。LabVIEW会将控制器、机箱和所有模块添加到工程中。

11. 在LabVIEW完成硬件搜索后，选择文件»保存项目，并将工程保存为951x_Tutorial.lvproj。

在完成了这些步骤之后，您的LabVIEW项目应该与图1类似。

 

图1. 项目浏览器窗口，扫描接口模式

在LabVIEW项目中增加NI SoftMotion资源

现在来创建捆绑到C系列模块的NI SoftMotion资源。在VI中使用运动I/O资源来代替I/O变量。查阅LabVIEW Help中的NI SoftMotion Module一节，了解更多关于运动I/O资源和NI SoftMotion的信息。

在项目中增加轴

在项目中，NI SoftMotion轴被捆绑到专门的C系列模块中，而且允许对模块上的I/O进行配置。要以扫描接口模式来配置并使用NI 951x模块，您必须在RT目标中增加轴，并使用与VI中的轴所相关的运动I/O资源。

完成下述步骤，在项目中增加一个NI SoftMotion轴：

1. 在项目浏览器窗中右击目标，并在快捷菜单中选择新建»NI SoftMotion Axis，打开轴管理器对话框，如图2所示。

2. 双击添加轴，使两个NI 9512模块都关联到NI SoftMotion轴。轴自动捆绑到一个可用模块中。你可以双击轴的名称对其重新命名，赋予其一个描述性的名字，但是两个不同的轴不可以使用同一个名字。

图2.轴管理器对话框

3. 单击修改绑定打开资源绑定对话框。如果需要的话，更改与该轴相关联的硬件。

4. 单击OK关闭轴管理器对话框。将所有轴都添加到项目浏览器窗口中。同一个C系列模块，最多只能关联一个轴。

在项目中增加坐标

NI SoftMotion轴可以组成坐标空间。坐标空间就是轴的逻辑性多维组合。坐标空间跟轴类似，也有可以作为资源输入的关联I/O资源。

完成以下步骤，在项目中增加坐标空间：

1. 在项目浏览器窗口中右击目标，并从快捷菜单中选择新建»NI SoftMotion 坐标空间，打开Configure Coordinate Space对话框。

2. 从Available Axes栏中选择Axis 1和Axis 2，并使用箭头标志将它们移至Coordinate Axes栏。

 

图3. 配置坐标空间对话框

当使用坐标资源的时候，目标位置和其它坐标信息都包含在一个一维矩阵中，其中轴的信息是按照采用该对话框增加轴的顺序进行排列的。

3. 单击OK关闭Configure Coordinate Space对话框。

至此，你的工程中已经包含了应用程序所需的轴和坐标空间。你的LabVIEW项目应该与图4中类似。

 

图4.采用运动资源所完成的项目

配置步进式驱动接口模块的轴

在本部分中，采用轴配置对话框，对与NI 9512 C系列模块相关联的轴进行配置。该对话框中包含了步进式驱动命令信号的配置选项、反馈设备、运动和数字I/O、轨迹以及轴的设置。图5中显示了NI 9512 C系列模块的轴配置对话框。无法配置的部分以灰色显示。

 

图5. NI 9512模块的轴配置对话框

完成下述步骤，对轴进行配置：

1. 右击项目浏览器窗口中的轴，并从快捷菜单中选择属性，打开轴配置对话框。

2. 在Axis Setup页面中，确认将循环模式设置为开环。配置为开环模式的轴会生成步进式输出，但无需电动机的反馈信息来确认位置。

3. 同样在Axis Setup页面中，确认Axis Enabled和Enable Drive on Transition to Active Mode复选框包含有复选标志。这样配置后，在运行VI的时候将自动激活轴。

要避免自动激活轴，需禁用这些选项。

4. 如果模块中并不包含有物理信号连接，那么为了保证系统正常运行，必须禁用这些输入信号。要禁用限制信号和引导信号（home翻译为引导合适吗？），转至Motion I/O页面，在Forward Limit、Reverse Limit和Home部分中，从Enable复选框中删除这些复选标志。

5. 根据系统需求，配置所有额外I/O。

6. 单击OK关闭轴配置对话框。

7. 重复步骤1到步骤6，配置轴2。

注意：请确保在部署项目之前，已经连接好所有的硬件，并接通了电源。项目的部署将NI 扫描引擎切换为Active(活动)模式，并使轴和驱动有效(如果已经连接好轴和驱动的话)，这样你就可以立即启动运动。参考LabVIEW Help中的《在RT目标上部署并运行VI》一章节，了解更多关于配置和问题解决技巧方面的知识。

8. 右击项目浏览器窗口中的控制器项目，并从快捷菜单中选择部署全部，将轴、坐标和轴设置部署成实时目标。

使用交互式测试面板测试系统

使用Interactive Test Panel(交互式测试面板)来测试并调试您的运动系统和所选轴上的配置设置。借助于交互式测试面板，你可以执行简单的直线运动、监测运动和I/O状态信息、改变运动限制、获取系统中的错误和故障信息并查看运动的位移或者速度曲线。如果系统中连接有一个反馈设备的话，你还可以获取反馈的位置以及位置错误信息。

在配置好轴后，完成以下步骤，采用轴配置对话框测试所做设置。

1. 右击项目浏览器窗口中的轴，并从快捷菜单中选择交互测试面板。

2. 使用选项卡设置期望位置、运动模式和运动限制。参考LabVIEW帮助中的NI SoftMotion模块部分，详细了解该对话框中的条目。

3. 在对话框的底部单击开始按钮，根据配置好的选项启动运动。

4. 使用状态和曲线选项卡，在运动进行中监测其状态。

以扫描接口模式创建一个VI

在本部分中，借助于增添到工程中的模块的运动I/O资源，创建一个VI。参考LabVIEW帮助中的Real-Time Module(实时模块)一节，获得关于扫描接口模式和NI Scan Engine(NI扫描引擎)的详细信息。

 配置定时循环

将定时循环同步到NI扫描引擎，可以使得时间敏感型的运动函数模块能够以指定的扫描速度运行。定时循环内部的任何代码都保证了每个扫描周期只执行一次。必须最小化定时循环中的内存分配，以避免在系统中引入不确定的时间延迟。

如果你的代码不需要按照扫描速率运行，那么你可以使用带有等待下一毫秒整数倍功能的while循环来控制循环速率。

完成以下步骤，配置定时循环：

1. 在项目浏览器窗口中右击控制器项目，并从快捷菜单中选择新建»VI，打开一个空白VI。

2. 在VI的程序框图中放置一个定时循环。

3. 双击定时循环的输入节点，打开配置定时循环对话框。

4. 在循环定时源中，将源类型设为同步至扫描引擎。你可以单击帮助按钮，获得关于如何同步至NI扫描引擎的信息。

5. 在循环定时参数中，将周期设为5个扫描周期。该步骤可选，但是可以允许定时循环以一个较低的速率同步至NI扫描 引擎。配置定时循环对话框应该与图7中类似。

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图7. 配置定时循环

6. 单击OK。

创建运动配置文件

本示例采用NI SoftMotion Line and Read function blocks(线和读功能块)来创建一个简单的运动配置文件，并监测运动位置信息。

完成以下步骤，设置运动：

1. 在定时循环内部放置一个Line功能块。

2. 右击execute(执行)控件，并从快捷菜单中选择创建»输入控件，在前端面板中为该输入增加控件。

3. 重复步骤2，在前端面板中，分别为position(位置)、velocity(速度)、acceleration(加速度)和acceleration jerk(加加速度)这几个输入增加控件。

4. 将deceleration(减速度)输入连线至acceleration(加速度)输入，将deceleration jerk(减减速度)输入连接至acceleration jerk(加加速度)输入。在有些应用中，减速度值可能必须与加速度值不同，但本应用中二者相同。

5. 从LabVIEW 项目中将坐标空间1资源拖至定时循环外部的方框图中，并将其连线至功能块上的资源输入。

6. 在定时循环内部放置另一个Line功能块。

7. 将Line功能块的错误接线端和资源接线端连接在一起。

8. 将第一个Line功能块的完成输出连线至第二个Line功能块的执行输入。

9. 将第二个Line功能块的velocity(速度)、acceleration(加速度)、deceleration(减速度)、acceleration jerk(加加速度)和deceleration jerk(减减速度)输入连接到步骤3中所创建的控件上。这将使得第二个功能块的运动参数值和第一个功能块相同。

10. 右击位置输入，并从快捷菜单中选择创建»输入控件，向前端面板中增加第二个位置信息的控件。

11. 向方框图中增加一个合并错误VI，并将Read功能块和第二个Line功能块的错误输出连线到合并错误 VI。

12. 右击合并错误 VI的错误输出输出，并从快捷菜单中选择创建»显示控件，向前端面板中增加一个显示控件。

13. 将错误输出连线到定时循环的边沿。

14. 在为错误输出所创建的循环通道上右击，并从快捷菜单中选择替换为移位寄存器。这会将错误信息传递给下一个循环迭代。

15. 将错误输出连线到定时循环另一侧的移位寄存器上。

16. 右击移位寄存器，并从快捷菜单中选择创建»常量，初始化定时循环外部的错误簇。因为最终的硬件会使用LabVIEW实时模块，所以要在定时循环外部初始化所有功能块阵列(array)和簇(cluster)，以避免系统抖动。在定时循环内部，在那两个Line功能块底下放置一个Read功能块。

一般是在主机上(而非在确定性定时循环中) ，通过读取目标发布的数据来读取并绘制位置信息。为了简化，本例中包含了数据读取部分。

17. 将资源和错误输出连接到第一个Line功能块的资源和错误输入上。

18. 为位置[]输入创建一个常数，并将该矩阵的前两个元素设为0。将位置[]常数移出定时循环。这样初始化阵列可以无需为功能块分配内存。

19. 右击定时循环的条件接线端，并从快捷菜单中选择创建»输入控件，向前端面板中增加一个停止按钮。这将允许你在任何时候停止运行VI。

完成上述步骤后，你的方框图应该与下图类似：

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图8. 程序框图

切换到前面板。

23. 在 位置[]数组中，将数组的前两个元素设为5000。这将指定一个x y坐标(5000, 5000)。

24. 在 位置[] 2数组中，将矩阵的前两个元素设为0。这将x y轴移回至(0, 0)。

25. 暂时保持速度、加速度和加加速度的默认值。

26. 在前面板中增加一个波形图。

27. 切换到程序框图，将Read功能块的位置[]输出接线端连接到波形图显示控件上。完成以上步骤后，您的前面板应该与图9类似。

 
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图9. 前端面板

28. 保存VI。

29. 保存项目。

发布、测试并使用VI

完成以下步骤，发布、测试并使用VI。

1. 运行VI。LabVIEW将该VI以及该VI所使用的所有模块和I/O变量部署至控制器中。

2. 点击执行输入控件，启动任务。

3. 在前面板中，确认位置图在更新。

4. 单击停止按钮，停止VI。

5. 修改任意输入参数，然后运行VI，再次点击执行控件，看看不同参数的结果如何。

连接至伺服式和步进式驱动

针对CompactRIO 的NI 951x C系列驱动接口可以直接连接到数以百计的步进式和伺服式驱动/电机。这些运动模块提供了单轴的伺服式或步进式驱动接口信号。另外，它们还提供了一组完整的运动I/O，包括原点开关和限位开关的输入、位置反馈信号的正交增量式编码输入，以及数字输入线和数字输出线。NI 951x驱动接口包含有一个处理器，运行样条插值函数和NI专利的步长生成算法或控制环。

下面来看看如何连接至NI P7000系列步进式驱动。要了解如何连接到第三方的P-command步进式或伺服式驱动，请参考安装在LabVIEW NI SoftMotion Module 中的NI SoftMotion帮助文件。

连接到P7000系列步进式驱动

本部分介绍了如何采用NI 9512-to-P7000 Stepper Drives Connectivity Bundle(NI  9512-to-P7000步进式驱动连接包)，将NI 9512步进式驱动接口连接到P7000系列步进式驱动。该产品中有一根线缆，直接将NI 9512 D-Sub连接到P7000系列步进式驱动；以及一个37管脚的接线块和线缆，将NI 9512 MDR连接头连接到其它I/O上。

完成以下步骤，将NI 9512驱动接口连接到P70530直流驱动或者P70360交流驱动和其它I/O。图10中是一幅简化的连接图。

1. 根据机箱文档说明，在机箱中安装模块。

2. 采用NI 9512-to-P7000线缆，将D-sub连接头模块连接到P7000系列驱动上的Command I/O连接头上。该线缆为步进式输出、驱动使能输出和驱动错误信号提供连接。

3. 将电源连接到NI 9512-to-P7000上的直接连接线缆+24 V输入。

4. 采用接线盒线缆，将MDR连接头模块连接到37管脚的接线块上。

5. 将硬件设备上的其它I/O信号连接到37管脚接线块或者自定义线缆上。参考图11了解接线盒的引脚。
   a.将接线块上的Forward Limit(前向限位)、Reverse Limit(反向限位)和Home(原点) 输入连接到限位和原点传感器上。
   b.如果你使用编码器来反馈位置信息，则请将编码器的输入连接到编码器上。
   c.采用所提供的接线端，连接所有额外I/O。

6. 将驱动电源连接到P7000驱动上。

 

图10. NI 9512-to-P7000系列驱动连接图

注意：如果只需要将MDR连接头连接到接线盒上，则接线盒上的所有D-Sub信号都是无连接(no connects，NC)。图11中显示了只连接MDR连接头时的37管脚接线盒的引脚。

 

图11. NI 9512 37管脚接线块只连接MDR时的管脚分配

7. 在控制器中安装软件，创建一个LabVIEW项目，并添加NI SoftMotion轴。

8. 在项目浏览器窗口中右击轴，并从快捷菜单中选择属性，打开轴配置对话框。

9. 针对P7000驱动，在轴配置对话框中改变下述项目的默认轴设置：

a. 右击轴，并从快捷菜单中选择属性，显示轴配置对话框。

b. 在步进电机页面中，将输出方式设置为单端。

c. 在运动I/O页面的驱动信号标签页中，将驱动使能信号的输出方式设置为源输出。

d. 在数字I/O页面中，将驱动器错误/报警映射到DI 1，并将输入方式设置为源输入。

10. 在项目浏览器窗口中单击控制器项目，并选择部署全部来部署轴信息。

连接到伺服式驱动器

伺服式轴的配置

伺服式轴只能以闭环模式运行，所以必需有一个反馈设备。如果你使用NI 9514或者NI 9516驱动接口模块，那么你必须另外对反馈设备、伺服控制环和伺服驱动的驱动命令输出进行配置。图6中显示了NI 9514和NI 9516 C系列模块的轴配置对话框部分。无法配置的部分以灰色显示。

 

图6. NI 9514和NI 9516模块的轴配置对话框

使用增益调节测试面板

使用Gain Tuning Test Panel(增益调节测试面板)来调节控制环的设置，并计算伺服轴的相对稳定性。参考NI SoftMotion LabVIEW帮助中的“使用增益调节面板”部分，了解关于增益调节面板和伺服式系统调节指令方面的详细信息。

右击项目浏览器窗口中的轴，并从快捷菜单中选择交互式测试面板，访问增益调节面板。

您所学到的东西

本指南中，分析了使用LabVIEW NI SoftMotion和NI 951x C系列模块来开发运动应用中的几个概念，如下：

• NI 951x模块与大多数C系列模块的不同之处在于，当你使用扫描接口模式的时候，不能直接在项目浏览器窗口中对它们进行配置，而且模块中不能直接获得I/O变量。
• 你必须使用NI SoftMotion向RT目标中增加轴，并将它们与NI 951x模块相关联，以期以扫描接口模式配置并使用它们。然后，你可以在VI中使用与这些轴相关联的运动I/O资源。
• NI SoftMotion轴使用Axis Configuration对话框进行配置。
• NI SoftMotion功能块允许你使用功能块编程方式来创建确定性运动控制应用。
• NI SoftMotion功能块为高级状态监测提供了状态输出。

更多资源 

• 下载全套的《NI SoftMotion 入门指南》
• 使用高级的功能模块API进行运动轨迹开发