【ESP32-S31 Function coreboard-1开发板】步进电机的串口控制和 LabVIEW 数据采集

本文介绍了 ESP32-S31 Function coreboard-1 开发板结合 A4988 模块，实现 42 步进电机的串口控制；设计 LabVIEW 上位机实现自动化运行和数据采集的项目设计，包括硬件连接、串口指令控制、LabVIEW上位机、数据采集等。

项目介绍

ESP32-S31 Function coreboard-1 开发板结合 A4988 驱动板实现 42 步进电机驱动。

• 准备工作：步进电机参数、环境搭建、硬件连接等；

• 工程测试：工程配置、流程图、关键代码，串口 JSON 指令控制步进电机旋转方向、角度和速度；

• LabVIEW 设计：前面板、程序面板设计，自动发送 JSON 消息，实现步进电机的自动化控制、数据采集与存储。

A4988 模块

A4988 是一款高性能微步驱动器，可驱动双极步进电机，支持全步、半步及多种微步模式，最大输出电流可达±2A，电压范围8V~35V。

• A4988模块是一款带有内置转换器和过流保护的DMOS微步驱动器，适用于双极步进电机。它支持全步、半步、1/4步、1/8步和1/16步五种步进模式，输出电压可达35V，最大输出电流±2A。

• 模块内置固定关断时间电流调节器，可在慢速或混合衰减模式下工作，自动选择电流衰减方式，提高步进精度并降低噪声

详见：A4988 Stepper Motor Driver module .

扩展板

为了便于 A4988 模块的 GPIO 引脚连接 MCU 控制器和 42 步进电机，设计扩展板。

原理图

详见：42步进电机A4988扩展板 - 立创开源硬件平台 。

驱动测试

代码

 from machine import Pin, I2C
 from ssd1306 import SSD1306_I2C
 import time
 
 # Define TMC2209 pinout
 dir = Pin(6, Pin.OUT)
 step = Pin(20, Pin.OUT)
 en = Pin(19, Pin.OUT)
 
 # ==== Initialized IIC OLED ====
 i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(23))
 oled_width = 128
 oled_height = 64
 oled = SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)
 
 # ==== OLED 显示电机状态函数 ====
 def display_motor_status(status, direction, speed):
     oled.fill(0)  # 清屏
     oled.text("=== MOTOR ===", 0, 0)
     oled.text("Status: " + status, 0, 20)
     oled.text("Direction: " + direction, 0, 35)
     oled.text("Speed: " + speed, 0, 50)
     oled.rotate(0)
     oled.show()
 
 while True:
     en.value(0) # enable stepper
     dir.value(not dir.value()) # switch direction
     dir_str = "CW" if dir.value() == 0 else "CCW"
     display_motor_status("RUNNING", dir_str, "1200us")
     for _ in range(800):  # 180 度对应步数
         step.value(1)
         time.sleep_us(1200)
         step.value(0)
         time.sleep_us(1200)
     en.value(1) # disable stepper
     display_motor_status("STOPPED", dir_str, "1200us")
     print("rotated! now reverse")
     time.sleep(1)

效果

LabVIEW

LabVIEW，即 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ，是一种图形化程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发。LabVIEW 使用图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW 因其图形化编程、硬件集成优势和强大的工具包，成为多个行业中快速开发测控系统的首选工具。它特别适合需要高可靠性实时控制、复杂数据采集和多仪器集成的场景。LabVIEW 广泛应用于工业自动化、测试与测量、科学研究与教育、生物医学、嵌入式开发、图像与信号处理等领域。

详见：LabVIEW概述 - NI .

硬件连接

• 使用 Type-C 数据线连接开发板和电脑；

• A4988 驱动板、ESP32-S31 开发板的接线方式如下

注意，若步进电机额定电压较高或带负载运行，需使用外部电源连接 A4988 驱动板 VM 引脚供电。

• A4988 与 42 步进电机的接线方式如下

实物图

串口连接

使用杜邦线连接 USB 转 TTL 工具和 ESP32-S31 开发板。

这里使用 DFRobot RainbowLink 工具实现串口通信，详见：TEL0185_RainbowLink .

环境搭建

搭建 Thonny IDE 和 MicroPython 开发环境。

详见：【ESP32-S31_Function_coreboard-1开发板】介绍、环境搭建、工程测试 .

流程图

工程代码

新建 stepper_uart.py 文件，添加如下代码

 from machine import Pin, UART
 import machine, time
 import ujson
 
 # ==== Define hardware pinout =====
 dir_pin = Pin(36, Pin.OUT)
 step_pin = Pin(37, Pin.OUT)
 en_pin = Pin(38, Pin.OUT)
 
 # Initialize UART 
 uart = UART(1, baudrate=115200, tx=Pin(2), rx=Pin(3))
 
 # ======== Angle Calculation ==========
 step_angle = 1.8 # step angle
 step_cycle = 360 / 1.8 # 360 / 1.8 = 200 步/圈
 # microstep mode, default is 1/8 so 8
 # another ex: 1/16 microstep would be 16
 microMode = 8
 # full rotation multiplied by the microstep divider
 steps = step_cycle * microMode  # 200 * 8细分 = 1600 脉冲/圈
 # 1600 / 360 = 4.444444 脉冲/度
 STEPS_PER_DEGREE = steps / 360
 
 # ======= Motor Control =========
 def rotate_angle(angle, speed_us):
     en_pin.value(0)
     dir_pin.value(angle > 0)   # Rotate direction
     dir_str = "CW" if angle > 0 else "CCW"
     
     target_angle = abs(angle)
     total_steps = int(target_angle * STEPS_PER_DEGREE)  # rotate steps
     
     # Start rotate
     for _ in range(total_steps):
         step_pin.value(1)
         time.sleep_us(speed_us)
         step_pin.value(0)
         time.sleep_us(speed_us)
     print("Rotate %.1f degree i.e. %d steps" % (angle, total_steps))
     release()
 
 def release():
     en_pin.value(1)
 
 # ======== UART Control =========
 def uart_control():
     while True:
         if uart.any():
             cmd = uart.read()
             try:
                 data = ujson.loads(cmd)
                 angle = float(data['angle'])
                 speed = int(data.get('speed', 1200))
                 
                 rotate_angle(angle, speed)
                 uart.write('OK\r\n')
                 
             except:
                 uart.write('Invalid command\r\n')
                 release()
         else:
             release()
             time.sleep_ms(50)
 
 # ======== main ==========
 while True:
     uart_control()

保存代码。

串口测试

• 运行串口调试助手软件，配置波特率 115200 bps 等参数，打开串口；

• 串口发送 JSON 指令 {"angle": 45, "speed": 1200} ，步进电机以 1200us 延时速度顺时针旋转 48 度；

• 串口发送 JSON 指令 {"angle": -90, "speed": 1500} ，步进电机以 1500us 延时速度逆时针旋转 92 度；

LabVIEW 上位机

包括前面板和程序面板设计。

前面板

前面板设计包括串口配置、单步测试、连续运行测试、实时演化曲线、数据保存、程序控制等模块。

程序面板

程序面板采用模块化设计，将串口指令函数封装，确保单次发送、连续发送任务均准确执行。

数据采集

• 配置目标串口，运行程序；

• 设置步长、目标角度、延时、存储路径等；

• 点击 START 按钮，开始运行步进电机并采集数据；

动态演示

• LabVIEW 程序运行后，步进电机按照设定的步长和延时连续旋转；

• 前面板显示采集数据的实时演化曲线；

• 步进电机根据串口指令，连续精确转动；

数据存储

• 数据采集完成后，串口停止发送消息，数据自动存储至目标路径；

• 数据保存格式为第一列旋转角度，第二列模拟采集数值；

总结

本文介绍了 ESP32-S31 Function coreboard-1 开发板结合 A4988 模块，实现 42 步进电机的串口控制；设计 LabVIEW 上位机实现自动化运行和数据采集的项目设计，包括硬件连接、串口指令控制、LabVIEW上位机、数据采集等，为相关产品在工业自动化领域的快速开发和应用设计提供了参考。