Методичка. Построение измерительных каналов с применением среды графического программирования LabVIEW

Министерство образования РФ  Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" ____________________________________________________

ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ LabView Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 2001

УДК 502.3/.5:681.785 Построение измерительных каналов с применением среды графического программирования LabView: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: В. В. Алексеев, Е. Г. Гридина, Б. Г. Комаров, П. Г. Королев, М. Ю. Обоишев, Н. И. Куракина. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. 32 с. Дано описание средств графического программирования LabView, принципов моделирования измерительных каналов, приведены методические указания к построению функционально законченных виртуальных приборов и их отладке. Предназначены для студентов специальностей 330200, 190900, 071900 дневной и вечерней форм обучения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

 СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001 2

ВВЕДЕНИЕ Программная система LabView является удобным средством для проектирования измерительных каналов, приборов, систем. Она обеспечивает построение и моделирование измерительных структур различной сложности. Система имеет библиотеку виртуальных модулей (моделей) измерительных средств, их отдельных блоков и компонентов. Она позволяет пользователю создавать виртуальные измерительные приборы любой сложности и формировать свою библиотеку виртуальных средств (VI). Система обладает удобными средствами редактирования и отладки и обеспечивает работу с реальными измерительными приборами, модулями и сигналами. Создание виртуального измерительного средства связано с определением его измерительной функции, созданием лицевой панели с органами управления и средствами представления данных, созданием структурной схемы, выполняющей заданную измерительную функцию, редактированием и отладкой работы измерительного устройства. Для этого система поддерживает соответствующие режимы: создание лицевой панели измерительного прибора − Panel, создание структурной схемы и отладка работы − Diagram. Каждый режим имеет свое окно, панель управления и поддерживается библиотекой (палитрой) моделей функциональных блоков (виртуальных модулей). Настоящий курс лабораторных работ направлен на изучение и освоение принципов создания виртуальных измерительных средств с заданными метрологическими характеристиками и их применения.

3

1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА 1.1.

Панель управления

Панель управления программной системы (ПС) LabView всегда находится на мониторе в верхней части окна. Вид панели изображен на рис. 1.1, там же указано функциональное назначение элементов.

Выполнение до конца Пошаговое выполнение Индикация выполнения Пауза Остановка Циклический запуск Запуск Рис. 1.1

Группировка Выравнивание

Нажатие на соответствующую кнопку вызывает выполнение указанной команды или включение режима. Кроме того, система имеет дополнительный набор инструментов, которые могут быть выбраны с помощью дополнительного окна Tools из списка Window раздела панели управления (Window\Show Tools Panel). Набор инструментов Tools полезно иметь открытым во время работы, разместив его в левом верхнем углу рабочего окна. Вид окна Tools и назначения инструментов приведены на рис. 1.2, в номерах инструментов на первом месте − номер строки, на втором − номер столбца в палитре. 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3

Операция 3.1 Позиционирование 3.2 Редактирование текста Соединение 3.3 Всплывающий объект 4 Перемещение окна Рис. 1.2

4

Установка точек останова Установка контрольных точек Определение цвета Установка цвета

Все перечисленные инструменты предназначены для управления процессом создания виртуального устройства и его тестирования: для выбора нужных функциональных блоков при формировании лицевой панели и структурной схемы устройства, редактирования, отладки. При разработке виртуального прибора (ВП) полезно иметь открытым окно минимальной помощи (Help\Show Simple Help), в котором дается краткое описание назначения и использования функционального блока, на который наведен указатель манипулятора − мыши. Далее рассмотрены инструменты управления и редактирования окна Tools и панели управления, их назначение и способы применения. 1.1.1. Инструменты управления Запуск − если стрелка целая, нажатие на кнопку вызывает запуск ВП; если стрелка "сломана", в структурной схеме ВП имеются ошибки и запуск ВП невозможен. Остановка – вызывает немедленную остановку работы ВП. Операция − указатель мыши позволяет выполнять операции на лицевой панели: управление переключателями; в режиме Diagram при двойном нажатии правой кнопки мыши (2ПКМ) на объекте обеспечивает переход в режим Panel с указанием с помощью "шатра" соответствующего элемента на лицевой панели, а также задание параметров элементов структурной схемы (Case и т. п.) (более подробно см. 1.3.5). 1.1.2. Инструменты редактирования Редактирование текста − позволяет вводить текст в поле метки, создавать и редактировать надписи на лицевой панели ВП или структурной схеме и др. Позиционирование ("стрелка") − нажатие левой кнопки мыши (ЛКМ) на объекте обеспечивает его выделение для последующего редактирования: изменения размеров, перемещения, удаления. Соединение − обеспечивает соединение элементов структурной схемы ВП. Выравнивание − предназначена для выравнивания нескольких элементов ВП. Предварительно такие элементы следует выделить. Группировка − предназначена для группировки выделенных элементов ВП.

5

Всплывающий объект − при нажатии ЛКМ или ПКМ возникает всплывающее меню Functions (в режиме Diagram) или Controls (в режиме Panel). Перемещение окна – позволяет перемещать окна. Определение цвета − позволяет определить цвет объекта/фона. Установка цвета − обеспечивает выбор цвета из палитры. Для выбора цвета объекта/фона следует нажать ЛКМ на пиктограмме объекта/фона и выбрать цвет из предложенной палитры. Для окраски выбранным цветом следует поместить указатель на объект и нажать ЛКМ. 1.1.3. Инструменты отладки Циклический запуск − обеспечивает повторяющийся запуск ВП. Установка контрольных точек − позволяет установить контрольные точки в структурной схеме с индикацией результатов выполнения алгоритма. Установка точек осуществляется нажатием ЛКМ в нужном месте структурной схемы, снятие − закрытием окна индикации. Установка точек останова − позволяет установить точки останова в структурной схеме для поэтапного выполнения алгоритма; установка и снятие точек осуществляются нажатием ЛКМ в требуемом месте структурной схемы ВП. Выполнение до конца − обеспечивает выполнение алгоритма до конца, игнорируя все установленные точки останова. Пошаговое выполнение − обеспечивает выполнение алгоритма шаг за шагом по нажатию кнопки Запуск или Пошаговое выполнение. Индикация выполнения − позволяет отслеживать последовательность распространения данных (выполнения операций) в процессе работы ВП. Пауза − вызывает приостановку работы ВП; для продолжения необходимо нажать кнопку Запуск или отпустить кнопку Пауза. 1.2. Лицевая панель (Panel) Режим Panel предназначен для формирования лицевой панели ВП с помощью палитры Controls. Режим обеспечивает выбор органов управления, модулей представления данных, редактирование вида лицевой панели измерительного устройства. Для переключения в режим Panel из режима Diagram следует в меню Windows панели управления выбрать Show Panel (Windows\Show Panel). 6

1.2.1. Выбор органов управления В окне Tools должен быть выбран инструмент Операция. Переместив маркер в область окна лицевой панели, необходимо нажать ПКМ, во всплывающем окне появится палитра Controls, из которой разработчик выбирает группу средств, и далее необходимый функциональный блок (целесообразно палитру Controls держать на экране ЭВМ постоянно, для этого следует выбрать Window\Show Control Panel). Элементы управления в LabView делятся на два типа: элементы для задания исходных данных для функционирования ВП (Controls) и элементы для отображения результатов измерений и обработки (Indicators). Для смены типа объекта управления следует щелкнуть ПКМ на объекте и затем выбрать из предложенного списка Change to Indicator или Change to Control (в зависимости от типа объекта). Для любого объекта управления разработчик ВП может указать: 1) диапазон представления величины; 2) точность представления величины; 3) вид кода представления; 4) размерность величины. Приведем пример выбора некоторых наиболее часто используемых при выполнении лабораторных работ блоков: 1) переключатель логический: Panel\ (ПК) \Controls \ Boolean\ Vertical switch; 2) индикатор температуры: Panel\ (ПК) \ Controls\ Numeric\ Thermometr; 3) одноканальный осциллограф: Panel\ (ПК) \ Controls\ Graph\Waweform Ghart; 4) цифровое отсчетное устройство: Panel\ (ПК) \ Controls\Numeric\Digital Indicator. 1.2.2. Установка метки (надписи на лицевой панели) Для обозначения органов управления, установленных на лицевой панели, используются метки − надписи, обозначающие их назначение или режим работы, "привязанные" к объекту. Для создания метки следует поместить указатель (Операция или Редактирование текста) на объект, нажать ПКМ\Show\Label, после чего набрать в окне требуемый текст. Тот же текст появится и на структурной схеме ВП рядом с обозначением объекта. К языку текста метки требований не предъявляется. Для изменения текста метки следует выбрать указатель Редактирование текста и ввести в поле 7

метки новый текст. Для удаления метки следует отключить режим Show\Label или удалить весь текст. 1.2.3. Редактирование Для редактирования надписей необходимо на нужном месте установить маркер Редактирование текста и сделать два щелчка ЛКМ, после чего можно приступать к редактированию текста. Для установки диапазона шкалы измерительного устройства (Dmin, Dmax) необходимо на поле шкалы щелкнуть ЛКМ (после чего граница диапазона будет отмечена белым фоном), набрать нужные числа и нажать клавишу <Enter> на клавиатуре. Для выбора точности и вида представления результата на цифровом отсчетном устройстве следует на объекте щелкнуть ПКМ\Format & Precession и указать в соответствующих полях требуемые значения. Выделение объекта, перемещение и изменение размеров осуществляется инструментом Позиционирование ("стрелка"). Для изменения размеров объекта поместить указатель на любой из углов объекта (после чего указатель приобретет форму угольника), нажать ЛКМ и, не отпуская ее, перемещением указателя изменить размер. Для группировки и выравнивания нескольких объектов следует выделить объекты, выбрать Группировка или Выравнивание соответственно, далее выбрать способ группировки или выравнивания. Для отмены предшествующих действий следует использовать Edit\Undo. Для удаления, перемещения в буфер копирования, вставки объектов следует использовать режимы Delete, Cut, Copy, Paste из меню Edit (предварительно объект должен быть выделен). Перечисленные операции с объектами ВП могут осуществляться только в том режиме (Panel, Diagram), в котором происходило создание объекта. 1.2.4. Установка и выбор цвета Для выбора нужного цвета объекта/фона необходимо выбрать в окне Tools режим Установка цвета и из предлагаемой палитры цветов выбрать требуемый цвет объекта/фона. Для изменения цвета/фона объекта следует нажать ЛКМ с указателем "кисточка" на объекте.

8

1.2.5. Графическое представление данных Для графического представления данных предназначены объекты из палитры Graph меню Controls – так называемые виртуальные осциллографы. В лабораторных работах могут применяться объекты Waveform Chart и Waveform Graph (однокоординатный осциллограф) и XY Graph (двухкоординатный осциллограф). Каждый элемент из палитры Graph имеет атрибуты Legend и Palette. Атрибут Legend позволяет проектировщику ВП задать вид представления данных на осциллографе (тип и цвет линии). Среда LabView предоставляет возможность задавать способ представления данных по горизонтальной и вертикальной осям осциллографов. Для этого следует щелкнуть ПКМ на объекте и выбрать X Scale или Y Scale и далее − Formatting, где задается способ представления данных на графике. Виртуальный осциллограф Waweform Chart позволяет наблюдать изменения во времени одного или нескольких сигналов одновременно. Для отображения одной величины достаточно соединить пиктограмму виртуального осциллографа с источником входного сигнала (см. 1.3.7). Для того чтобы одновременно наблюдать на экране несколько величин, необходимо связать эти данные в структуру с помощью многовходовой сборки Bundle, после чего соединить с виртуальным осциллографом. Количество одновременно отображаемых величин не ограничено. Виртуальный осциллограф Waweform Graph позволяет отображать накопленную информацию – массив числовых данных. Для этого следует с помощью многовходовой сборки Bundle связать одну структуру: начальную координату по горизонтальной оси, шаг по горизонтальной оси, массив накопленных данных; − после чего соединить с виртуальным осциллографом. Аналогичным образом можно отобразить несколько массивов данных. Для этого полученные структуры необходимо объединить в массив элементом Build Array и соединить с осциллографом. Виртуальный осциллограф XY Graph является аналогом двухлучевого осциллографа. Для отображения зависимости сигнала X от сигнала Y их следует связать в структуру с помощью элемента Bundle, после чего соединить с виртуальным осциллографом. Виртуальный осциллограф XY Plot позволяет проследить зависимость одного параметра от другого.

9

Виртуальный осциллограф Waweform Chart используется для представления разнородных физических величин (таких, как, например, температура и электрический ток). Виртуальный осциллограф Waweform Graph предназначен для выдачи однородной информации. Для изменения размеров экрана виртуального осциллографа следует выбрать режим позиционирования, поместить указатель в угол экрана и затем изменить его размер так, как было описано ранее. 1.3. Структурная схема (Diagram) Режим Diagram предназначен для построения структурной схемы ВП. Режим обеспечивает выбор функциональных блоков для структурной схемы устройства, ввод и редактирование измерительных функций, соединение блоков, редактирование связей и отладку режимов работы виртуального измерительного устройства. Все функциональные блоки можно разделить на источники данных, преобразователи и индикаторы. Они имеют, соответственно, только выходы, входы и выходы и только входы. Входы функциональных блоков, как правило, расположены с левой стороны, выходы − с правой. Поэтому источники данных рекомендуется размещать в левой части структурной схемы, преобразователи − в центре, а индикаторы − в правой части, так чтобы было удобно формировать структурную схему. Для переключения в режим Diagram из режима Panel следует в меню выбрать Windows/Show Panel. Все выбранные в режиме Panel элементы и их метки отображаются в виде соответствующих структурных блоков в окне режима Diagram. 1.3.1. Задание числовых величин При разработке структурной схемы ВП для моделирования измерительных функций пользователь может использовать заданные числовые величины или некоторые математические и физические константы. Пример выбора таких функциональных блоков приведен в табл. 1.1. Режим Diagram

Меню Functions

Палитра Numeric Numeric\Additional Numeric Constant 10

Таблица 1.1 Блок функциональный Numeric Constant (константа) Reciprocal of e (e–1)

1.3.2. Выбор функциональных блоков Режим Diagram обеспечивает выбор функциональных блоков из библиотеки виртуальных средств, как стандартного набора, так и созданных пользователем. Выбор из библиотеки стандартных блоков удобно осуществлять с помощью всплывающего меню Functions, вызываемого при нажатии ПКМ в режиме Diagram. Далее, нажимая ПКМ или ЛКМ, можно просмотреть всплывающие палитры и, выбрав нужный блок, поместить его в окно структурной схемы. Перечислим основные типы функциональных блоков, наиболее часто используемых при выполнении заданий (табл. 1.2). Таблица 1.2 Режим Diagram

Меню Functions

Diagram

Functions

Палитра Arithmetic (арифметические операции) Array

Diagram

Functions

Cluster

Diagram

Functions

Getting Staried

Diagram

Functions

Time&Dialog

Блок функциональный Add (сложение) Maltiply (умножение) Index Array (выделение элемента массива) Bundle (многовходовая сборка) Demo Votage Read (имитация измерения напряжения) Wait Until Next ms (ожидание N миллисекунд)

В процессе работы ВП выполнение функциональных блоков осуществляется при поступлении данных на все его входы. В случае готовности данных на входах нескольких функциональных блоков структурной схемы их выполнение происходит в порядке слева − направо, сверху – вниз. Редактирование структурной схемы объекта производится аналогично редактированию лицевой панели. Следует помнить, что размеры всех элементов структурной схемы являются фиксированными. Исключение составляют только функциональные блоки Sequence, Case, While Loop, For Loop и Formula Node (см. далее). 11

1.3.3. Ввод и редактирование измерительных функций Для задания измерительных функций в явном виде предназначен функциональный блок Formula Node. Режим Diagram

Меню Functions

Палитра Structures

Блок функциональный Formula Node

Функциональный блок Formula Node предназначен для задания измерительных функций ВП в явном виде, например функции преобразования термопары t = 0.5U2 + 0.0025 ⋅ |U3| . Для реализации в разрабатываемом ВП измерительных функций следует выбрать блок Formula Node из палитры Function. Внутри функционального блока записывается измерительная функция (несколько функций), каждая из которых должна завершаться символом ";" (точка с запятой). Список выполняемых блоком математических операции и функций приведен в приложении. Например, приведенная ранее функция преобразования термопары будет записана в виде t=0.5*U^2+0.0025*abs(U^3) , Чтобы начать ввод текста в формульный узел, следует в панели Tools выбрать инструмент Операция или Редактирование текста, поместить указатель внутрь функционального блока и нажать ЛКМ. Для работы функционального блока следует сформировать его входы и выходы и наименования передаваемых через них данных, причем входы (выходы) могут располагаться как с правой, так и с левой стороны блока. Для создания входов (выходов) следует поместить указатель на одну из сторон функционального блока и нажать ПКМ, после чего выбрать из предложенного списка Add Input (Добавить вход) или Add Output (Добавить выход) и указать в нем имя переменной. Имена переменных на входах и выходах формульного узла должны совпадать с именами переменных, входящих в измерительную функцию. В случае, если измерительная функция не помещается в окно функционального блока, можно инструментом Позиционирование изменить его размер. 12

1.3.4. Реализация последовательности действий Для реализации последовательности действий представляется целесообразным воспользоваться функциональным блоком Sequence (последовательность). Режим Diagram

Меню Functions

Палитра Structures

Блок функциональный Sequence

Применение этого блока в структурной схеме ВП позволяет существенно повысить наглядность схемы и логику работы ВП. Этот блок обязательно следует использовать в том случае, когда естественное соединение функциональных модулей ВП не обеспечивает требуемой последовательности выполнения операций. Отображение функционального блока в структурной схеме ВП приведено на рис. 1.3. Номер действия (всего действий) Структура отображает собой последова2 [0..3] тельность действий ВП. Отображается только одно из них. Общее количество действий, описанных в структуре, и номер Передача отображаемого указываются в верхней части Прием данных на данных из функционального блока. следующее предыдущего действие Для передачи данных от одного действия действия структуры к другому служит локальный переход. Рис. 1.3 Для создания локального перехода следует поместить указатель на структуру (т. е. на ее контур) и нажать ПКМ\Add Sequence Local. Направление передачи данных LabView определяет автоматически при проведении связи к локальному переходу. Места прохождения связей с данными, поступающими в структуру извне, выглядят как туннели на границе функционального блока. Для добавления нового действия в последовательность следует нажать ПКМ\Add Sequense After или ПКМ\Add Sequense Before. Для удаления текущего действия из последовательности следует нажать ПКМ\Delete This Frame. Для просмотра скрытых действий следует поместить указатель в верхнюю часть структуры (при этом он должен принять вид треугольника), 13

после чего щелчком ЛКМ будет осуществлен переход на предыдущее (последующее) действие. Также для перехода можно нажать ПКМ на контуре структуры, выбрать из списка Show Sequence и далее выбрать номер действия. Внутри каждого действия структуры Sequence могут быть размещены любые функциональные блоки LabView. Передача управления от одного действия к другому производится только после готовности всех входных данных.

1.3.5. Реализация структуры с ветвлением Структура с ветвлением обеспечивает выбор одной из нескольких ветвей алгоритма функционирования ВП в зависимости от заданного условия. Режим Diagram

Меню Functions

Палитра Structures

Блок функциональный Case

Структура имеет специальный вход условия, которым может быть либо логическое значение (Истина, Ложь − если существуют лишь две ветви), либо номер выбираемой ветви алгоритма функционирования ВП. Структура представляет собой набор окон, переход между которыми осуществляется так же, как и в структуре Sequence. По умолчанию структура имеет две ветви. Для создания дополнительных ветвей следует на контуре структуры выполнить ПК и в раскрывшемся списке выбрать пункт Add Case (Добавить ветвь). Для удаления не используемой ветви следует выбрать Delete This Case. Переход с одной ветви алгоритма на другую аналогичен переходам по структуре Sequence. Структура выбора может иметь один или несколько выходов или не иметь их вообще. В случае, если хотя бы одна из ветвей алгоритма передает данные дальше, то необхоTrue Неправильно выполненная связь димо, чтобы и остальные 123 Вход 1 ветви передавали данные из Правильно выполненная связь выбора структуры Case. Рис. 1.4 При проведении связи от объекта внутри структуры выбора к ее границе на границе образуется 14

туннель белого цвета, видимый из любой ветви структуры. Данные того же типа, получаемые в других ветвях алгоритма, необходимо при проведении связей передавать на тот же туннель. При правильно организованной передаче данных из структуры все туннели должны быть окрашены в черный цвет (рис. 1.4). 1.3.6. Реализация циклов При разработке структурной схемы ВП итерационные алгоритмы могут быть реализованы с помощью двух видов циклов: цикла с постусловием (While), в котором условие продолжения итераций проверяется после ее выполнения, и цикла с предварительным заданием числа итераций (For). Режим Diagram

Меню Functions

Палитра Structs&Constants

Блок функциональный While loop For loop

Для передачи данных из предыдущей итерации цикла в последующую используются локальные переменные цикла, которые на структурной схеме ВП обозначаются треугольными стрелками, цвет которых совпадает с цветом линии связи. Для создания локальной переменной цикла следует поместить указатель на левую или правую границу функционального блока цикла, нажать ПКМ и раскрывшемся списке выбрать Add Shift Register. Количество таких регистров для цикла не ограничивается. Для цикла For критерием прекращения итераций является выполнение заданного количества итераций. Условие прекращения выполнения цикла While может быть определено на каждой итерации цикла. Особенностью выполнения цикла While является то, что вначале выполняется тело цикла и лишь затем проверяется условие ("цикл с постусловием"). Логическая переменная – условие выполнения итерации − соединяется с символом продолжения итераций. Нумерация итераций для двух видов циклов начинается с нуля. Передача данных по окончании цикла далее может быть произведена как через локальную переменную, так и непосредственно при проведении связи через границу структуры цикла. В последнем случае на контуре структуры появится черный туннель. Цикл While позволяет передавать как 15

единичные данные, так и массивы данных. Цикл For при передаче данных через туннель формирует массив из N элементов. Следует помнить, что данные, формируемые при выполнении цикла, могут быть переданы далее только после прекращения выполнения цикла. Начальное значение Локальная локальной переменная переменной цикла 0

Счетчик итераций

Результат Условие выполнения

9

Рис. 1.5 На рис. 1.5 приведен пример подсчета суммы 10 целых чисел от 0 до 9 и выдача результата за пределы цикла. 1.3.7. Соединение блоков и редактирование связей Для соединения функциональных блоков структурной схемы из палитры Tools следует выбрать инструмент Соединение. При помещении указателя (в режиме соединения) на функциональный блок структурной схемы начнет мигать соответствующий вывод (представляется полезным включить режим Simple Help, при котором в отдельном окне приводится краткое описание функционального блока, на который установлен указатель, их выводы и назначения выводов). Выбрав требуемый вывод, следует нажать ЛКМ на нем и затем поместить указатель на второй вывод и вновь нажать ЛКМ. В случае, если проведенная связь недопустима, то линия пунктирная, а стрелка Запуск окажется "сломанной". Для наглядности и удобства редактирования структурной схемы объекта можно изменить конфигурацию существующих линий связи. Это можно выполнить, выбрав из палитры Tools указатель "Перемещение", поместив его на участок линии связи и затем, при нажатой ЛКМ, "перетащив" линию в другое место структурной схемы ВП. При проведении линии связи можно "принудительно" изменять ее направление (в отличие от предлагаемого средой при ее создании). Для этого следует в местах

16

изменения направления нажимать ЛКМ, после чего продолжать создание связи. Следует помнить, что работа функциональных узлов структурной схемы ВП, разработанных в среде LabView, возможна только при появлении на их входах всех данных. Поэтому соединение элементов структурной схемы в виде "обратной связи" является ошибочным (см. рис. 1.6). Рис. 1.6 Цвет и толщина линии связи зависит от типа передаваемых по ней данных. В табл. 1.3 и 1.4 приведены характеристики основных типов линий связи. Таблица 1.3 Цвет линии Данные Синяя Целочисленные данные Оранжевая Вещественные данные Зеленая Логические данные Розовая Символьные данные Черная пунктирная Недопустимое соединение Таблица 1.4 Тип линии Тонкая Толстая синяя, оранжевая или зеленая Толстая коричневая Толстая розовая

Данные Единичные данные Массив данных (в том числе многомерный) соответствующего типа Структура (Cluster) данных одного типа Массив символьных данных (в том числе многомерный) или структура разнотипных данных

При неправильном соединении объектов структурной схемы ВП линия связи становится прерывистой. Наиболее часто это обусловлено следующими причинами: − соединены два различных выхода; − несовместимость типов данных; − линия связи не имеет источника или приемника данных ("оборванная связь").

17

Для разрыва (удаления) связи между функциональными узлами структурной схемы следует выделить линию связи ЛКМ на ней и нажать клавишу . Если связь изменяет свое направление, то при нажатии ЛКМ будет выделен лишь один ее участок. Для выделения всей линии следует 2 раза щелкнуть на ней ЛКМ, в этом случае линия будет выделена между двумя соседними узлами ("разветвление линии"). Для выделения всех связей между функциональными блоками (эта же линия) следует затем три раза щелкнуть на ней ЛКМ. Удаление неправильного соединения выполняется аналогично. В случае, когда неправильных соединений в структурной схеме слишком много, удобно воспользоваться меню Edit\Remove Bad Wires или комбинацией клавиш +. Удаление, копирование, выравнивание и группировка объектов на структурной схеме ВП производится теми же операциями, что и для объектов лицевой панели ВП (см. 1.2.3). 1.3.8. Создание функционально законченного ВП Большим достоинством среды программирования LabView является возможность создания функционально законченных ВП, которые могут быть использованы в качестве ВП нижнего уровня в структурной схеме новых ВП. Для создания ВП, позволяющего использовать его как ВП нижнего уровня, следует: 1. Нажать ПКМ на пиктограмме ВП, расположенной в правом верхнем углу лицевой панели, и выбрать Show Connector (Показать входы). Пиктограмма примет вид квадрата с отдельными секторами. Количество таких секторов обычно совпадает с количеством элементов управления ВП. Каждый сектор будет соответствовать выводу ВП при его включении в структурную схему другого ВП. Если разработчика не устраивает предлагаемый автоматически способ разбиения, то он может выбрать его вручную, нажав ПКМ на пиктограмме и выбрав Rotate, Flip Horizontal, Flip Vertical или Patterns. 2. Связать органы управления ВП с секторами пиктограммы элементом Соединение. Для установления связи следует нажать ЛКМ на органе управления ВП (который будет выделен "шатром"), а затем – на секторе пиктограммы, который будет выделен цветом. Если при установлении связи была допущена ошибка, следует поместить указатель (инструмент Соединение) на сектор пиктограммы, который нужно отсоединить, нажать 18

ПКМ и выбрать Disconnect This Terminal. Для "развязывания" всех элементов структурной схемы следует выбрать Disconnect All Terminals. Отметим, что внешне связь органа управления ВП с сектором пиктограммы никак не проявляется. 3. После установления связи требуемых элементов управления с пиктограммой (могут быть связаны не все элементы и не все сектора пиктограммы задействованы) разработчик ВП может создать значок (пиктограмму), который будет соответствовать прибору при включении его в структурную схему другого ВП. Для этого следует нажать ПКМ на пиктограмме и выбрать режим Edit Icon. После выполнения перечисленных действий ВП готов для включения его в структурную схему другого ВП. Следует отметить, что лицевая панель такого ВП при его работе в составе ВП более высокого уровня не будет видна оператору. При работе ВП высокого уровня такой объект рассматривается только как один из элементов его структурной схемы. Для изменения характеристик такого ВП его можно открыть как обычный ВП (File\Open) или щелкнув два раза ЛКМ на его пиктограмме в структурной схеме. Созданный законченный ВП удобно хранить в библиотеке ВП – файле с расширением llb, содержащем один или несколько ВП, относящихся к данной разработке. Разработчик ВП может либо поместить ВП в существующую библиотеку ВП, либо создать новую. Для создания новой библиотеки следует выбрать File\Save\New VI Library, после чего разработчику будет предложено дать библиотеке название. Указав имя и подтвердив его нажатием VI Library, разработчик может либо сразу сохранить в ней ВП, либо сделать это позднее. Для помещения ВП в имеющуюся библиотеку используется File\Save, и можно, перемещаясь по папкам, войти в выбранную библиотеку и подтвердить сохранение ВП. При сохранении ВП в библиотеках разработчик может назначать им имена длиной до 256 символов. Длина имени сохраняемого как отдельный файл ВП ограничена 8 символами. Для включения в состав разрабатываемого ВП существующего (в том числе помещенного в библиотеку) ВП разработчик должен использовать Functions\Select a VI. Выбор ВП производится аналогично открытию файла ВП. Выбрав ВП, следует дважды щелкнуть ЛКМ на его имени, после чего его пиктограмма будет включена в состав структурной схемы разрабатываемого ВП. 19

1.3.9. Отладка работы ВП ПС LabView имеет в своем составе средства, позволяющие осуществлять отладку разработанных ВП. Отладка ВП может осуществляться только в режиме Diagram. Режим отладки ВП позволяет: − запускать ВП в замедленном режиме работы, при этом оператор имеет возможность наблюдать последовательность передачи данных в структурной схеме ВП и их значения (в режиме Индикация выполнения); − устанавливать точки останова в структурной схеме ВП; − задавать глубину отладки (при необходимости контроля выполнения вложенных ВП, вызываемых из структурной схемы тестируемого ВП); − устанавливать контрольные точки (Probe) в структурной схеме ВП. При отладке работы ВП в режиме Индикация выполнения на структурной схеме постоянно отображаются данные передаваемые на каждом шаге работы ВП. Функциональные блоки ВП, завершившие свою работу и выдавшие данные в схему, отображаются ярким цветом; блоки, не начинавшие работу, − серым цветом. При приостановке работы ВП (Пауза, Пошаговое выполнение) блок, выполнение которого должно завершиться в следующий момент времени, выделен. Для установки в структурной схеме точек останова следует в палитре Tools выбрать Установка точек останова и нажать ЛКМ в выбранной точке структурной схемы ВП. Для продолжения процесса отладки после достижения точек останова следует щелкнуть ЛКМ на кнопке Пошаговое выполнение. При установке контрольных точек в схеме на мониторе раскрывается дополнительное окно, содержащее одно отсчетное устройство. Удаление контрольной точки производится закрытием этого окна. В режиме отладки ВП полезно включить режим пошагового выполнения. Включение режима производится инструментом Пошаговое выполнение, расположенным на панели управления. Режим Пошаговое выполнение соответствует установке точек останова на каждом узле структурной схемы ВП. Для продолжения отладки (выполнение следующего шага) следует нажать ЛКМ на кнопке Пошаговое выполнение. Отпускание кнопки Пауза приведет к выполнению ВП в замедленном режиме до конца и игнорированию всех установленных в структурной схеме точек останова.

20

В режиме пошагового выполнения работы ВП оператор может выбирать глубину отладки ВП: − выполнение активного ВП без просмотра по шагам работы входящих в его состав ВП нижнего уровня; − выполнение активного ВП и ВП нижнего уровня; − немедленный возврат из ВП нижнего уровня на один уровень вверх. Просмотр установленных контрольных точек (Probe) может выполняться как при отладке в режиме Diagram, так и при нормальной работе ВП (режим Panel). 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА 2.1. Задача моделирования Измерительный канал представляет собой последовательность преобразований физических и числовых величин, в результате которых получается числовой эквивалент измеряемой физической величины с заданной погрешностью (в единицах этой величины). Например, последовательность преобразований при измерении влажности G → C → f → N → NG → GN, где G − измеряемая величина; C − изменение значения емкости конденсатора; f − изменение значения частоты; N − значение кода, соответствующее значению частоты; NG − значение кода в единицах измеряемой величины; GN − числовой эквивалент измеряемой величины с заданной погрешностью. Измерительный канал представляет собой последовательность из пяти преобразований: значения влажности в значение емкости конденсатора (физическое преобразование); значения емкости конденсатора в значение частоты напряжения (электрическое преобразование); значения частоты напряжения в кодовый эквивалент (аналого-цифровое преобразование − АЦП); значения кода в значение кода в единицах измеряемой величины (масштабирование); значение кода в числовой эквивалент измеряемой величины (воспроизведение обратной функции всех предшествующих преобразований). Последовательность преобразований при измерении температуры Т → R → e → U → N → NT → TN,

21

где T − измеряемая величина; R − изменение значения сопротивления резистора; e − изменение значения напряжения на резисторе; U − изменение значения напряжения на входе АЦП; N − значение кода, соответствующее значению напряжения; NT − значение кода в единицах измеряемой величины; TN − числовой эквивалент измеряемой величины с заданной погрешностью. Измерительный канал представляет собой последовательность из шести преобразователей: 1) первичный измерительный преобразователь (ПИП) − в рассматриваемом примере это терморезистор, который имеет функцию преобразования f1 = Rt(T); 2) вторичный измерительный преобразователь (ВИП) − может представлять электрическую цепь с постоянным источником тока (I = const), т. е. функцию преобразования f2 = e = I Rt; 3) нормирующий преобразователь (НП) − преобразователь, который приводит диапазон выходного напряжения ВИП к диапазону входного напряжения АЦП, имеет функцию преобразования вида f3 = U = k(e − emin), где k − нормирующий коэффициент; 4) АЦП с функцией преобразования f4 = (U/Umax) Nmax, где Umax − опорное напряжение; Nmax = 2n − 1; n − число разрядов АЦП; 5) масштабирующее преобразование (МП) − приведение полученного кода к диапазону и единицам измерения физической величины (температура) − имеет функцию преобразования f5 = NT = N((Tmax − Tmin)/ Nmax) − Tmin; 6) преобразование, компенсирующее нелинейность (ПКН) всех предыдущих преобразований, имеет функцию f6 = F−1, где F−1 – функция, обратная градуировочной характеристике измерительных преобразований. Моделирование структуры измерительного канала связано с созданием математических моделей всех его элементов. Математическая модель должна адекватно отражать физическую реализацию каждого элемента, учитывать единицы измерения и размерности всех передаваемых величин. Структура измерительного канала выглядит следующим образом (табл. 2.1).

22

ФизичеПИП ский процесс ТермоФизирезистор ческая реализация Математические f1 = Rt(T) функции

ВИП

НП

АЦП

Аналоговая Аналоговая Аналогоэлектронная электронная цифровая электронная схема схема схема f4 = N = f3 = U = f2 = e = IRt, = k (e − emin) = U/(Umax/Nmax)

МП Цифровая электронная схема

Программное Цифровое преобразование отсчетное устройство

f5 = NT = = N((Tmax−Tmin)/ f6 = F−1 /Nmax) − Tmin

Вход, (В) Вход, (кванты) Единицы Вход, °С Вход, (Ом) Вход, (В) измере- Выход, Ом Выход, (В) Выход, (В) Выход, (кванты) Выход, (oС) ния

1

ПКН

Таблица 2.1 Отображение результата

Вход, (oС) Выход, (oС)

Числовое значение величины, график

2.2. Моделирование физического определение источника данных

процесса

−

Моделирование физического явления может осуществляться с помощью имеющихся средств, например, источника температуры (см. 1.2.1), заданием конкретных значений в виде констант (см. 1.3.1) или созданием математической модели (см. 1.3.3). При этом в режиме Panel необходимо выбрать удобные органы управления, а в режиме Diagram реализовать нужную функцию или структуру. Так как модель физического явления должна максимально удовлетворять реальному процессу, непрерывно изменяющемуся по величине, необходимо выбирать максимально возможную разрядность представления чисел. 2.3. Первичный измерительный преобразователь Как правило, ПИП имеет нелинейную функцию преобразования (градуировочную характеристику). На вход ПИП поступает исследуемая физическая величина, на выходе наблюдается изменение параметра электрической схемы (значение сопротивления, емкости, напряжения и др.), которое измеряется методами электрических измерений. Градуировочная характеристика представляется в паспорте ПИП в виде математической функции или таблицы. Математическая модель ПИП может быть реализована с помощью соответствующих функций (см. 2.1). 2.4. Вторичный измерительный преобразователь Вторичный измерительный преобразователь служит для преобразования изменения параметра электрической схемы ПИП (например, значения сопротивления) к изменению значения напряжения. Методы измерения напряжения хорошо освоены, и существует большое количество простых и удобных средств, их реализующих. Для реализации ВИП необходимо выбрать или разработать структуру преобразователя и, используя средства LabView, реализовать ее в виде математической модели (см. 2.1).

24

2.5. Нормирующий преобразователь Нормирующее преобразование необходимо для приведения выходного напряжения ВИП к диапазону входных напряжений АЦП. Операция приведения связана с изменением ширины диапазона изменения напряжения (умножение на коэффициент) и введением смещения (сложение с константой), которые так же, как и в предыдущем случае, можно реализовать в виде математической модели (см. 2.1). 2.6. Моделирование измерительных преобразователей Среда графического программирования LabView предоставляет возможность моделирования физических процессов, протекающих в различных средах, измерительных преобразователях и модулях. Для этого поддерживается система единиц СИ и некоторые внесистемные единицы. Любому вещественному числу, вводимому с помощью устройств ввода, может быть присвоена размерность, и, таким образом, в преобразованиях данная величина приобретает физический смысл. Вызов поля ввода размерности осуществляется через контекстное меню (ПКМ на устройстве ввода, show, unit label). Когда строка ввода размерности доступна, ее можно ввести, используя стандартные аббревиатуры (см. приложение). Можно ввести простую размерность, например, вольты − V, потом через контекстное меню попасть в окно редактирования единиц, нажав ПКМ на символе размерности (см. правый нижний угол рис. 2.1). Размерность вводится в строке New Unit, при этом можно выбирать из списка Common Units, вручную вводятся префиксы - масштабные множители и сложные размерности (m/s и т. п.). Синтаксис похож на применяемый в формульных узлах LabView. Редактировать размерности можно с помощью инструмента Edit Text. Система контролирует преобразования основных величин. Так, если в структуре, изображенной на рис. 2.1, изменить название любой из трех физических величин, например, W вместо V, на стадии выполнения будет выдана диагностика "unit conflict" (конфликт единиц). С учетом того, что в средствах измерений осуществляются преобразования физических величин, при создании их моделей возникает необходимость изменения размерности. Для этого применяются операции Convert Unit и Cast Unit Bases.

25

Рис. 2.1

Рис. 2.2 Cast Unit Bases изменяет размерность входной физической величины на размерность, указанную для верхнего входа (рис 2.2, на котором изображена модель электрохимической ячейки газоанализатора - первичного 26

измерительного преобразователя напряжение постоянного тока).

концентрации

оксида

углерода

в

Рис. 2.3 Convert Unit преобразует именованную величину в безразмерное число или наоборот (рис. 2.3, на котором изображена модель терморезистора).

27

ПРИЛОЖЕНИЕ Обозначение физических величин и их единиц Международное название

Plane angle Solid angle Time Length Mass Electric current Thermodynamic temperature Amount of substance Luminous intensity Frequency Force Pressure Energy Power Electric charge Electric potential Capacitance Electric resistance Conductance Magnetic flux Magnetic flux density Inductance Luminous flux Illuminance

Обозначе ние в Русскоязычное Величина среде название LabView Основные единицы системы СИ radian rad Плоский угол steradian sr Телесный угол second s Время meter m Длина gram g Масса ampere A Электрический ток kelvin K Термодинамическая температура mole mol Количество вещества candela cd Сила света hertz Hz Частота newton N Сила pascal Pa Давление joule J Энергия watt W Мощность coulomb C Электрический заряд volt V Электрический потенциал farad F Электрическая емкость ohm Ohm Электрическое сопротивление siemens S Электрическая проводимость weber Wb Магнитный поток tesla T Плотность магнитного потока henry H Индуктивность lumen lm Световой поток lux lx Освещенность

28

Величина

радиан стерадиан секунда метр грамм ампер кельвин моль кандела герц ньютон паскаль джоуль ватт кулон вольт фарада ом сименс вебер тесла генри люмен люкс

Продолжение Обозначе Международное ние в Русскоязычное Величина Величина название среде название LabView Celsius temperature degree degC Температура градус Celsius Цельсия Activity becquerel Bq Активность беккерель Absorbed dose gray Gy Поглощенная доза грей Dose equivalent sievert Sv Эквивалентная доза зиверт Единицы, не входящие в систему СИ Time minute min Время минута hour h час day d день Plane angle degree deg Плоский угол градус minute …' минута second …" секунда Volume liter l Объем литр Mass metric ton t Масса тонна Area hectare ha Площадь гектар Energy electron eV Энергия электронvolt вольт Mass unified u Атомная масса атомная atomic единица mass unit массы Единицы системы СГС Area barn b Площадь Force dyne dyn Сила дин Energy erg erg Энергия эрг Pressure bar bar Давление бар Прочие единицы Fahrenheit degree degF Температура градус temperature Fahrenheit Фаренгейта Celsius temperature Celsius Cdeg Разность температур градус difference degree по Цельсию Цельсия Fahrenheit Fahrenheit Fdeg Разность температур градус temperature degree по Фаренгейту Фаренгейта difference

29

Окончание Международное название Length Area Pressure Energy

Обозначе ние в Величина среде LabView foot ft inch in mile mi acre acre atmosphere atm calorie cal British Btu thermal unit

30

Русскоязычное название Длина Площадь Давление Энергия

Величина фут дюйм миля акр атмосфера калория Британская температурная единица

СОДЕРЖАНИЕ Введение ………………………………………………………………... 1. Инструментальные средства ………………………………………... 1.1. Панель управления ………………………………………………. 1.1.1. Инструменты управления …………………………………… 1.1.2. Инструменты редактирования ……………………………… 1.1.3. Инструменты отладки ……………………………………….. 1.2. Лицевая панель (Panel) ………………………………………….. 1.2.1. Выбор органов управления …………………………………. 1.2.2. Установка метки (надписи на лицевой панели) …………… 1.2.3. Редактирование ………………………………………………. 1.2.4. Установка и выбор цвета ……………………………………. 1.2.5. Графическое представление данных ……………………….. 1.3. Структурная схема (Diagram) …………………………………... 1.3.1. Задание числовых величин ………………………………….. 1.3.2. Выбор функциональных блоков ……………………………. 1.3.3. Ввод и редактирование измерительных функций …………. 1.3.4. Реализация последовательности действий ………………… 1.3.5. Реализация структуры с ветвлением ……………………… 1.3.6. Реализация циклов …………………………………………... 1.3.7. Соединение блоков и редактирование связей ……………... 1.3.8. Создание функционально законченного ВП ………………. 1.3.9. Отладка работы ПВ …………………………………………. 2. Моделирование структуры измерительного канала ……………… 2.1. Задача моделирования …………………………………………. 2.2. Моделирование физического процесса − определение источника данных ……………………………………………………... 2.3. Первичный измерительный преобразователь ………………… 2.4. Вторичный измерительный преобразователь ………………… 2.5. Нормирующий преобразователь ……………………………….. 2.6. Моделирование измерительных преобразователей …………... Приложение ……...……………………………………………………..

31

3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 10 10 11 12 13 14 15 16 18 20 21 21 24 24 24 25 25 26

Редактор Н. В. Рощина ЛР № 020617 от 24.06.98  Подписано в печать Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.86. Уч.-изд. л. 2.0. Тираж 100 экз. Заказ  Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

32