ЛЕКЦИЯ 9. Среда графического программирования LabView ее базовые функции для обеспечения сбора данных и управления приборами.

Измерения - это разновидность человеческой деятельности, без которой немыслим прогресс науки и технологий. Ученые и инженеры используют разнообразные измерительные приборы для наблюдения, контроля и постижения физической картины мира при выполнении исследований в биологии и медицине, при проектировании, тестировании и производстве электронных изделий, при разработке и совершенствовании систем управления механизмами и технологическими процессами в многочисленных отраслях промышленности.

Программный пакет LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации и результатов расчетов, а также моделирования как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом. Разработчиком LabVIEW является американская компания National Instruments. LabVIEW является открытой системой программирования и имеет встроенную поддержку всех применяемых в настоящее время программных интерфейсов. В состав LabVIEW входят библиотеки управления различными аппаратными средствами и интерфейсами, такими как PCI, CompactPCI/PXI, VME, VXI, GPIB (КОП), PLC, VISA, системами технического зрения и др. Программные продукты, созданные с использованием LabVIEW, могут быть дополнены фрагментами, разработанными на традиционных языках программирования, например C++, Pascal, Basic, FORTRAN. И наоборот можно использовать модули, разработанные в LabVIEW в проектах, создаваемых в других системах программирования. Таким образом, LabVIEW позволяет разрабатывать практически любые приложения, взаимодействующие с любыми видами аппаратных средств, поддерживаемых операционной системой компьютера.

В отличие от текстовых языков, таких как C, Pascal и др., где программы составляются в виде строк текста, в LabVIEW программы создаются в виде графических диаграмм, подобных обычным блок-схемам.

Программирование в системе LabVIEW максимально приближено к понятию алгоритм. После того, как вы продумаете алгоритм работы своей будущей программы, вам останется лишь нарисовать блок-схему этого алгоритма с использованием графического языка программирования. Вам не потребуется думать о ячейках памяти, адресах, портах ввода-вывода, прерываниях и иных атрибутах системного программирования. Данные будут передаваться от блока к блоку по "проводам", обрабатываться, отображаться, сохраняться в соответствии с вашим алгоритмом. Мало того, сам поток данных будет управлять ходом выполнения вашей программы. Ядро LabVIEW может автоматически использовать эффективные современные вычислительные возможности, такие как многозадачность, многопоточность и т. п.

Процесс программирования в LabVIEW похож на сборку какой-либо модели из конструктора. Программист формирует пользовательский интерфейс программы - "мышкой" выбирает из наглядных палитр-меню нужные элементы (кнопки, регуляторы, графики,..) и помещает их на рабочее поле программы. Аналогично "рисуется" алгоритм - из палитр-меню выбираются нужные подпрограммы, функции, конструкции программирования (циклы, условные конструкции и проч.). Затем также мышкой устанавливаются связи между элементами - создаются виртуальные провода, по которым данные будут следовать от источника к приемнику.

Если при программировании случайно будет сделана ошибка, например какой-то провод будет подключен "не туда", то в большинстве случаев LabVIEW сразу обратит на это внимание программиста. После того, как алгоритм - блок-схема нарисован, программа готова к работе.

Программы, созданные в среде LabVIEW, называются виртуальными приборами или, сокращенно, ВП, потому что их внешний вид и выполняемые ими функций схожи с внешним видом и функциями реальных физических приборов, таких как осциллограф или мультиметр. Используя технологию виртуальных приборов, разработчик может превратить стандартный персональный компьютер и набор произвольного контрольно-измерительного оборудования в многофункциональный измерительно-вычислительный комплекс. Среда LabVIEW содержит обширный набор инструментальных средств для сбора, анализа, представления и хранения данных, а также инструменты, помогающие отладить создаваемый код.

Написание программы в LabVIEW начинается с создания интерфейса пользователя (или, по-другому, лицевой панели), содержащего элементы управления и индикаторы. Примерами элементов управления являются ручки управления, кнопки, круговые шкалы и другие элементы ввода. Индикаторами являются графики, светодиодные индикаторы и другие элементы вывода. После создания интерфейса пользователя, вы можете создать на блок-диаграмме код, используя другие виртуальные приборы (ВП) и структуры для управления объектами лицевой панели.

Технология виртуальных измерительных приборов объединяет аппаратные средства и программное обеспечение с промышленными компьютерными технологиями для решения измерительных задач, причем свойства этих решений в значительной степени определяются пользователями. Компания National Instruments специализируется в области разработки встраиваемых и распределенных технических средств для сбора данных (DAQ) и программных драйверов к ним, систем на основе приборного интерфейса IEEE 488 (GPIB) и стандарта PXI, систем с использованием последовательного интерфейса и промышленных сетей. Программные драйвера представляет собой прикладной программный интерфейс взаимодействия с техническими устройствами, причем эти драйвера совместимы со всеми системами разработки прикладного программного обеспечения National Instruments, такими, как LabVIEW, LabWindowsTM/CVITM и Measurement Studio. Перечисленные платформы обеспечивают развитые возможности отображения и анализа, которые необходимы для технологии виртуальных измерительных приборов. Технология виртуальных измерительных приборов может быть использована для создания готовых к применению специализированных систем измерения и тестирования, а также систем промышленной автоматизации путем объединения различных аппаратных и программных компонент. При внесении изменений в системы, как правило, можно повторно использовать одни и те же компоненты виртуальных приборов, не приобретая дополнительные технические средства и программное обеспечение.

Виртуальную измерительную систему можно собрать из различных аппаратных и программных компонент. Для контроля и управления каким-либо процессом или тестирования какого-либо устройства могут быть использованы разнообразные технические средства измерений. И если ясен принцип действия этих устройств, то, как только они будут подключены к компьютеру, они могут стать составной частью виртуальной измерительной системы.

Основной задачей всех измерительных систем является измерение и/или генерация реальных физических сигналов. Измерительные приборы помогают получать, анализировать и представлять результаты измерений.

В процессе сбора данных физические величины, такие, как напряжение, ток, давление и температура преобразуют в цифровой формат и вводят их в компьютер. Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью встраиваемых в компьютер устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем стандарта PXI (расширение PCI для измерительной техники) и приборов с портом RS-232. Обработка исходных данных путем аппроксимации, статистического анализа, получения частотных характеристик и других математических операций превращает эти данные в информацию, подающуюся последующей интерпретации. Для представления данных используются графики или таблицы, шкальные или мнемонические индикаторы (например, термометр), другие форматы и средства визуализации.

Разработка компьютерной измерительной системы может казаться сложной задачей. Для облегчения выбора аппаратных компонент разрабатываемых измерительных систем ниже рассматривается их основной тип.

Системы сбора данных на основе встраиваемых устройств общего назначения (DAQ-устройств) предназначены для измерения сигналов и могут иметь несколько каналов. Эти устройства используют также для генерации аналоговых сигналов, например, синусоиды, и цифровых сигналов, например, импульсов. Как правило, DAQ-устройства подключаются непосредственно к внутренней системной шине компьютера через разъем (слот).

Измерительная система на основе DAQ-устройств общего назначения отличается от других систем тем, что программное обеспечение, установленное на компьютере, используется непосредственно в процессе измерений. Устройство сбора данных только преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой, который может быть воспринят компьютером. Это означает, что одно и то же устройство сбора данных может выполнять разнообразные измерения всего лишь путем замены прикладной программы, которая считывает данные.

Кроме сбора данных, программное обеспечение подобных систем применяется также для обработки данных и отображения результатов. Несмотря на то, что одно и то же устройство может быть использовано при решении многих задач измерений, на разработку различных прикладных программ для каждой из этих задач все равно требуются значительные ресурсы времени. В состав LabVIEW входит большое количество функций сбора и обработки данных, применение которых помогает в проектировании приложений.

Прежде чем компьютерная измерительная система сможет измерить некоторую физическую величину, например, температуру, физический сигнал с помощью датчика или измерительного преобразователя должен быть преобразован в электрический - ток или напряжение. Встраиваемое DAQ-устройство (устройство сбора данных) можно рассматривать как законченную измерительную систему, однако, на самом деле, это устройство является всего лишь одним из компонентов системы и не всегда на него можно напрямую подавать измеряемые сигналы. Во многих случаях необходимо использовать специальные средства согласования (кондиционирования), а преобразованные сигналы DAQ-устройство преобразует в цифровую форму. В процессе сбора исходных данных, их обработки и представления результатов функционированием DAQ-системы управляет программное обеспечение.

Существуют следующие разновидности систем сбора данных:

• устройство сбора данных встраивается в компьютер - в PCI слот стационарного компьютера или в слот PCMCIA ноутбука портативной измерительной системы.

• устройство сбора данных является внешним и подключается к компьютеру через последовательный порт или порт Ethernet. В этом случае измерительные устройства достаточно просто и быстро могут быть размещены поблизости от датчиков.

Компьютер получает исходные данные от DAQ-устройства, а проектируемая программа обрабатывает их и представляет в доступной для понимания форме. Кроме того, программное обеспечение управляет системой сбора данных, выдавая команды DAQ-устройству, когда и из какого канала необходимо считывать данные.

Обычно программное обеспечение систем сбора данных состоит из драйверов и прикладной программы. Драйверы уникальны для каждого устройства или для однотипных устройств и включают в себя набор команд, понятных для устройства. Прикладное программное обеспечение, созданное в LabVIEW, посылает драйверам команды, например, опросить и возвратить отсчет с термопары, затем обрабатывает и отображает отсчет. Измерительные устройства производства NI комплектуются драйверами NI-DAQ, а также набором виртуальных приборов (VI -Virtual Instrument) для конфигурирования, получения данных от устройств и передачи данных устройствам.

Таким образом, пакет среды графического программирования LabVIEW позволяет разрабатывать практически любые приложения, взаимодействующие с любыми видами аппаратных средств, поддерживаемых операционной системой компьютера. Используя технологию виртуальных приборов, разработчик может превратить стандартный персональный компьютер и набор произвольного контрольно-измерительного оборудования в многофункциональный измерительно-вычислительный комплекс.

Литература.

2. Измерения в LabVIEW. Руководство по применению. - Перевод на русский язык. Учебный центр "Центр технологий National Instruments" Новосибирский государственный технический университет, Российский филиал корпорации National Instruments, April 2003 Edition, Part Number 322661B-01 © 2006

3. Н.А.Виноградова, Я.И.Листратов, Е.В.Свиридов. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW. Учебное пособие - М.: Издательство МЭИ, 2005.

4. http://russia.ni.com/