建構以 MATLAB 下的平台控制程式

本實驗室使用個人電腦撰寫程式做人機介面進行控制，使用國家儀器(National Instrument)的資料擷取卡(data acquisition 9401, DAQ 9401，外觀圖及腳位定義如圖 3- 6)裝置於國家儀器生產的資料擷取卡機箱 cDAQ9171(外觀如圖 3- 7)作為步進馬 達 脈 波 及 馬 達 旋 轉 方 向 邏 輯 訊 號 輸 出 ， 搭 配 大 內 實 業 (EXTION) 生 產 的 EXD2020MB 步進馬達驅動器控制步進馬達，另配有 LabJack LEGACY U12 數位 資料擷取卡如圖 3- 8，來接收光遮斷感測器訊號回傳至電腦程式進行極限位置的邏 MATLAB 存檔需要時間差。兩系統在執行的過程中沒有同步性，僅能將時間間格 拉長來減少同時讀取檔案的發生機率而無法根絕此問題；然而直接在 MATLAB 下 同 時 建 置 演 算 法以 及控 制 馬 達的 子 程 式 可根 絕 時 間 差 的 問 題 ， 最 終 選 擇 以

做為終端(Terminal)透過(Communication port, COM Port)建立通訊時，就會產生相對 應的 MATLAB 內的通訊物件。MATLAB 可透過通訊物件將輸出訊號傳輸至指定 裝置，使接收訊號的外部裝置執行硬體指令。目前市面主流的個人電腦使用通用序 列匯流排(Universal Serial Bus. USB)做為與外界裝置進行連接的介面，訊號可在轉 譯 晶 片 的 作 用 下 與 通 用 非 同 步 收 發 傳 輸 器 (Universal Asynchoronous Receiver/Transmitter, UART)進行通訊，並在個人電腦上呈現虛擬的通訊埠，使電腦 可與不同的設備如微控制器(Micro Control Unit, MCU)、資料擷取卡等設備進行通 訊。

建立於 MATLAB 的控制系統使用與原系統相同的資料擷取卡，透過 MATLAB 內建的資料擷取工具箱(Digital Acquisition Toolbox)進行操作。資料擷取工具箱提供 兩種輸出模式，其一為輸出可設定頻率及時長(duration)的定時器訊號(Clock signal)，

其二為輸出數位訊號(Digital signal)。系統利用定時器訊號作為步進馬達驅動脈波 並利用數位訊號輸出作為馬達旋轉方向邏輯訊號，於資料擷取卡設定的輸入輸出 腳位(Input/Output Pin, I/O Pin)如圖 3- 6，MATLAB 操作子程式流程圖如圖 3- 11。

由於資料擷取工具箱的限制，使用定時器訊號輸出時不得有數位輸出頻道 (Digital output channel)存在，則馬達改變方向時需要增加數位輸出頻道輸出後移除 數位輸出頻道再執行定時器訊號輸出。為避免不斷更新數位輸出的頻道，另使用 號紅框的Pulse Cmd 設定一個指令(Command, Cmd)要輸出的脈波數量，程式則於/ 每個迴圈執行一個指令，於二號紅框下方的dt則是程式內設定每個迴圈持續的時 間。原於 LabVIEW 中所建構的程式流程圖如圖 3- 13，其中 LabJack LEGACY U12 所接收的光遮斷感測器訊號會在每個迴圈執行完畢後進行邏輯判斷，在抵達各個

程式於每個迴圈執行一次指令時會執行四個步驟，首先連結資料擷取卡設定

Block 為i Motor 的阻斷條件邏輯值。阻斷條件與驅動脈波關係對應的邏輯閘為或閘，_i 則輸出脈波邏輯函數可表示為

, , ,

i out OR i in i

Pulse =Pulse +Block (3.12) 其中Pulse_{i in,} 為程式輸出Motor 的脈波，_i Pulse_{i out,} 為判斷後輸出Motor 的脈波。阻斷_i 條件成立時的Pulse_{i out,} 無論Pulse_{i in,} 的邏輯電位輸出為定值使脈波無法通過。

製作邏輯電路時使用 7400 系列 IC 邏輯閘，由於採購時供貨狀態的限制選用 74HC02 反或閘、74HC04 反相器、74HC08 及閘。而極限開關在觸發時電壓值為邏 輯電位假值，為避免判讀電路時混淆將式(3.10)表示為

,1

, 2

i Gatei i

i Gatei i

Block V Dir Block V Dir

+

Pulse =Pulse +Block (3.14) 阻斷條件達成時可達到阻斷效果，未達成阻斷條件時脈波輸出結果會與輸入脈波

(3.14)可得最終的輸出脈波邏輯函式

Pulse Pulse Block Pulse Pass Pass Pulse V ₊ Dir V _- Dir 2- 23)搭配 Nikon AF-S NIKKOR 28-300mm f/3.5-5.6G ED VR 鏡頭(如圖 3- 17)以及 KENKO 接物寫真環(如圖 3- 18)進行拍攝。相機垂直於光學桌面上金屬柱的高處，

並使相機鏡頭垂直平台(如圖 3- 19)，利用水平氣泡確認相機與平台的水平確保相 機內平面平行於台面(如圖 3- 20)，實驗架設如圖 3- 21。相機使用影片拍攝功能，

時間解析度為 29.97 fps，空間解析度為1920 1080 pixels´ ，為避免平台移動的殘影 對追蹤結果造成影響將快門時間縮短為1 5000 s，並使用補充光源照射平台表面，