Politechnika Gdańska Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Katedra Metrologii i Systemów Elektronicznych Laboratorium Projektowanie i Organizacja Systemów Elektronicznych Ćw. 1 Wprowadzenie do programowania w LabView Gdańsk, 2011
1. Wprowadzenie Celem ćwiczenia jest przedstawienie sposobu wykorzystania i możliwości zastosowania środowiska LabVIEW firmy National Instruments do realizacji oprogramowania sterującego. Ćwiczenie prezentuje narzędzia i funkcje środowiska LabVIEW oraz przedstawia sposoby tworzenia oprogramowania. 2. Wprowadzenie do środowiska LabVIEW 2.2 Co to jest LabVIEW? LabVIEW jest środowiskiem programistycznym (jest programem) służącym do tworzenia własnych programów użytkowych podobnie jak środowiska Borland C, Borland Pascal, Microsoft C, National Instruments LabWindows i inne. Praktycznie jedyną różnicą jest sposób tworzenia kodu źródłowego programu. W innych środowiskach kod źródłowy jest tekstem w określonym języku programowania (Basic, C, Pascal), natomiast w LabVIEW kod źródłowy jest grafiką, rysunkiem przedstawiającym wejścia (z klawiatury i przyrządów), wyjścia (na ekran, drukarkę i przyrządy), funkcje przenoszenia i przetwarzania informacji oraz połączenia między blokami. Język graficzny, G, przedstawia zapis programu w postaci ikon, zacisków i połączeń. LabVIEW (w skrócie LV) posiada rozbudowane biblioteki funkcji i podprogramów do większości zadań programistycznych. Zawiera ponadto bogate biblioteki programowych sterowników różnych przyrządów pomiarowych, sterowniki interfejsów GPIB, VXI i szeregowych oraz biblioteki funkcji do zbierania, analizy i prezentacji danych. LabVIEW, tak jak i inne środowiska programistyczne, daje szerokie możliwości uruchamiania programu i poszukiwania błędów. Można ustawiać pułapki, animować diagram przepływu informacji, a także uruchamiać program krokowo śledząc wyniki w poszczególnych częściach programu. 2.3 Jak dziala LabVIEW? LabVIEW zawiera biblioteki funkcji i narzędzia uruchomieniowe zaprojektowane specjalnie do zbierania danych i sterowania przyrządami pomiarowymi. Programy, napisane za pomocą LV, noszą nazwę przyrządów wirtualnych, ang. Virtual Instruments, (VI), ponieważ ich wygląd i działanie imituje przyrządy rzeczywiste. Przyrządy VI posiadają płytę czołową (interfejs użytkownika), kod źródłowy (diagram przepływu informacji) oraz przyjmują parametry od przyrządów VI wyższego poziomu.
Interfejs użytkownika Interfejs użytkownika nazywany jest płytą czołową ponieważ symuluje płytę czołową prawdziwego przyrządu. Płyta czołowa może posiadać gałki, przyciski, pokrętła, klawisze, wykresy i inne elementy sterujące i wskaźnikowe. Dane wpisywane są za pomocą myszki i klawiatury, natomiast wyniki przedstawiane są na ekranie komputera. Diagram Przyrządy VI pobierają instrukcje z diagramu przepływu informacji, który jest napisany w języku G. Diagram jest piktograficznym rozwiązaniem zagadnienia programistycznego, jest kodem źródłowym. Hierarchia i modułowość Przyrządy VI są hierarchiczne i mają budowę modułową. Mogą być używane samodzielnie lub jako podprogramy innych programów. Przyrząd VI używany przez inny jako funkcja nosi nazwę subvi. Ikona i zaciski przyrządu VI działają jak graficzna lista parametrów, które mogą być przekazane z innego przyrządu VI. 2.4 Co to są przyrządy wirtualne? Przyrząd wirtualny składa się z trzech elementów: płyty czołowej, diagramu oraz ikony z zaciskami. Przykładowy przyrząd VI pokazano poniżej: Płyta czołowa przyrządu "LabVIEW <-> GPIB.vi"
Diagram przyrządu "LabVIEW <-> GPIB.vi" Ikona przyrządu "LabVIEW <-> GPIB.vi" Zaciski przyrządu "LabVIEW <-> GPIB.vi" (wejście po lewej stronie i 3 wyjścia po prawej)
3. Zadania laboratoryjne UWAGA: W pierwszej kolejności należy w katalogu \OIOSE.LAB skasować katalog TEMPLATE i uruchomić program template.exe, który odtworzy standardową zawartość katalogu TEMPLATE: 3.1 LabVIEW - pierwsze uruchomienie - Zapoznać się z opisem środowiska LV(patrz materiały do wykładu i help do LabView) - Uruchomić środowisko LabVIEW (menu START->PROGRAMY->NI LabView 6.1) - Załadować program demonstracyjny "Temperature System Demo.vi" (Opcja File/Open, wybrać katalog \OIOSE.LAB\TEMPLATE, wybrać zbiór TEMPSYS.LLB a następnie przyrząd wirtualny "Temperature System Demo.vi") Na ekranie pojawi się okno jak poniżej: - Uruchomić program klikając ikonę RUN - Zaobserwować działanie elementów kontrolnych: Low Limit, High Limit, Update Period - Zakończyć działanie programu "wyłączając" przełącznik Acquisition
Narzędzia: Narzędzie operacyjne - umożliwia zmianę wartości parametrów Narzędzie do wybierania ikon i połączeń, do przesuwania, zmiany wymiarów Narzędzie wpisywania tekstów Narzędzie do wykonywania połączeń Narzędzie do wyświetlania menu kontekstowego Narzędzie do przesuwania Narzędzie do ustawiania/kasowania pułapki Narzędzie do podglądu wartości zmiennych Narzędzie do pobierania koloru Narzędzie do kolorowania Uruchomienie programu Praca w kółko Zatrzymanie wykonywania programu Włącz pracę krokową Podgląd wartości zmiennych Zapamiętywanie wartości zmiennych Przejdź do wykonywania podprogramu Omiń wykonywanie fragmentu programu Dokończ wykonywanie pętli - Wyświetlić okno z diagramem (opcja Window / Show Diagram) - Obejrzeć diagram (przewody pomarańczowe oznaczają dane typu float, niebieskie - integer, a zielone boolean). To, co widać na ekranie jest zapisem kodu źródłowego programu. Jak wykonać taki program i jak go uruchomić dowiesz się w kolejnych zadaniach.
- Tymczasem zamknąć przyrząd (opcja File/Close) tak, aby na ekranie pozostały tylko dwa puste okna "Untitled 1" i "Untitled 1 Diagram") 3.2 Konstrukcja przyrządu wirtualnego Twoim zadaniem będzie skonstruowanie przyrządu wirtualnego, który będzie mnożył wartość wejściową przez 10. - Puste okna "Untitled 1" i "Untitled 1 Diagram" przesunąć i przewymiarować tak, aby oba były widoczne w całości i razem wypełniały cały ekran (np. opcja Windows / Tile). - W oknie "Untitled 1" umieścić element sterujący Digital Control i nadać mu etykietę "Mnożna" (opcja Controls / Numeric i wybrać "Digital Control"; wybieranie przez: trzymając wciśnięty lewy klawisz myszki przesuwać kursor) Zwróć uwagę, że w sąsiednim oknie (diagramu) pojawił się element opisany [DBL], który jest wskaźnikiem do elementu na płycie czołowej. Napis [DBL] oznacza, że typem zmiennej będzie double. Po umieszczeniu elementu należy mu nadać etykietę pisząc "Mnożna" Jeżeli Ci się to nie udało, to możesz etykietę dopisać później przez kliknięcie prawym klawiszem myszki i wybranie opcji "Show Label". - W identyczny sposób jak wyżej umieścić element wskaźnikowy Digital Indicator i nadać mu etykietę "Wynik". W ten sposób przygotowana została płyta czołowa przyrządu wirtualnego, którego zadaniem będzie mnożenie liczby wejściowej "Mnożna" przez 10 i przekazanie wyniku do "Wynik". Teraz należy ułożyć program, czyli diagram przepływu informacji. - W oknie "Untitled 1 Diagram" umieścić stałą numeryczną i ustawić jej wartość na 10. (opcja Functions / Numeric. i wybrać "Numeric Constant", następnie wpisać 10 <Enter>). - W tym samym oknie umieścić funkcje mnożenia (opcja Functions / Numeric i wybrać "Multiply". Na koniec pozostaje tylko dokonać połączeń.
Każdy element i każda funkcja posiadają zaciski (terminals), przez które dane mogą wchodzić i wychodzić. Funkcja mnożenia ma trzy zaciski: mnożnej (x), mnożnika (y) i wyniku (x*y). Okno pomocy (patrz niżej) można wywołać opcją Windows / Show Help Window - Wybrać narzędzie do wykonywania połączeń - Połączyć zacisk "Mnożna" do wejścia x funkcji mnożącej (ustawić kursor na zacisk [DBL] "Mnożna" (zacisk miga) i raz kliknąć lewy przycisk; przesunąć kursor na zacisk x funkcji mnożącej (zacisk miga) i raz kliknąć lewy klawisz). Połączenie jest koloru pomarańczowego, co oznacza, że dane mają postać liczby typu zmiennoprzecinkowego. - W identyczny sposób połączyć stałą 10 do wejścia y funkcji mnożącej i wyjście funkcji mnożącej do zacisku [DBL] Wynik. Czy pamiętasz jakie kolory połączeń co oznaczały? Jeżeli wszystko zostało wykonane poprawnie, to ikona Uruchom wygląda następująco:, natomiast jeżeli są błędy, to tak:. Błędne połączenia można usunąć wywołując opcje Edit / Remove Bad Wires. - W celu uruchomienia przyrządu proszę wybrać okno "Untitled 1" i kliknąć ikonę. Za pomocą narzędzia operacyjnego program jeszcze raz. proszę zmienić wartość mnożnej i uruchomić I to wszystko. Twój przyrząd wirtualny już działa. Brawo. Każdy przyrząd wirtualny (VI) może być elementem innego przyrządu wirtualnego i jest wtedy nazywany subvi (tak jak procedura, która może być podprocedurą innej
procedury). Aby można było wywołać taki subvi trzeba podać jego parametry wywołania (wejścia i wyjścia), czyli zadeklarować zaciski. - Wybrać okno "Untitled 1" - Ustawić kursor na ikonę Twojego VI (w prawym górnym rogu, biały pusty kwadrat); przytrzymać prawy klawisz myszki i wybrać opcję Show Connector. Kwadrat zostanie podzielony domyślnie na dwie części (są dwa elementy na płycie czołowej) i kursor zmieni kształt na szpulkę z drutem. - Ustawić kursor na lewej części ikony i raz kliknąć lewym klawiszem, następnie ustawić kursor na elemencie "Mnożna" i ponownie raz kliknąć lewym przyciskiem. Przypisanie zostało dokonane. W identyczny sposób dokonać przypisania prawego zacisku ikony do elementu "Wynik". - Ustawić kursor na kwadrat ikony, przytrzymać prawy klawisz i wybrać opcję Show Icon. Na koniec pozostaje tylko narysować ikonę - Ustawić kursor na ikonę Twojego VI (w prawym górnym rogu, dalej biały pusty kwadrat); przytrzymać prawy klawisz myszki i wybrać opcję Edit Icon. Pojawi się na ekranie dodatkowe okno. - Wybrać opcję 16 kolorów i narysować ikonę według własnego upodobania (bardzo proszę nie tracić w tym miejscu zbyt dużo czasu) Ostatnią Twoją czynnością będzie zapisanie na dysk utworzonego przyrządu - Wybrać File / Save As i zapisać przyrząd W KATALOGU TEMPLATE pod nazwą M10.VI A wszystko razem może wyglądać następująco:
3.3 Hierarchia przyrządów wirtualnych W tym zadaniu poznasz jak wykorzystywać istniejące przyrządy wirtualne oraz jak uruchamiać program krokowo. - zamknąć istniejące okna (opcja File / Close New VI) - W oknie "Untitled 1" umieścić element sterujący Knob i nadać mu etykietę "Wejście" (opcja Controls / Numeric i wybrać "Knob") - W identyczny sposób umieścić element wskazujący Meter i nadać mu etykietę "Wyjście" (opcja Controls / Numeric i wybrać "Meter") - Zmienić zakres wskazań miernika od 0 do 100 (wybrać narzędzie operacyjne, ustawić kursor na końcu skali na etykiecie 10 i wpisać 100 <Enter>. - Zmienić okno na "... Diagram" i załadować z dysku utworzony wcześniej VI "m10.vi" (opcja Functions / Select VI, odszukać zbiór w katalogu TEMPLATE) - Dokonać połączeń między "Wejściem" i "m10.vi" oraz "m10.vi" i wyjściem - Uruchomić program, za pomocą narzędzia przestawić "gałkę" i sprawdzić działanie. Tak, jak w innych środowiskach (Pascal, C) i tu program można uruchamiać krokowo. - Kliknąć ikonę Start Single Stepping i wykonać kolejne kolejne kroki programu. 3.4 Pętla WHILE - zamknij okna z przyrządem M10.VI - W oknie diagramu umieść pętlę WHILE (opcja Functions / Structures i wybierz WHILE) albo OBOK istniejącego diagramu i powiększ ją tak, aby diagram mógł się zmieścić w środku
a potem zaznacz cały istniejący diagram (jako blok) i przesuń go do wnętrza pętli albo wystarczy objąć pętlą wybrany fragment diagramu. Może to wyglądać np. tak: Zacisk jest licznikiem pętli, natomiast jest warunkiem zakończenia pętli. Jeżeli warunek jest prawdziwy (TRUE), to pętla kończy działanie. Uwaga: licznik pętli zaczyna zliczać od zera, natomiast warunek kontynuacji jest sprawdzany PO wykonaniu instrukcji wewnątrz pętli, czyli ta pętla jest zawsze wykonywana przynajmniej raz. - Z menu kontekstowego zastąp warunek warunkiem kontynuowania pętli. - Zmień tryb działania przycisku na "zwarty, gdy naciśnięty" : ustawić kursor na przycisk, kliknąć prawy klawisz myszki, wybrać "Mechanical Action" i następnie wybrać "Switch Until Released" - Przycisk nie naciśnięty zwraca stan FALSE, więc aby nie wyjść z pętli musisz dodać negator (w oknie "...Diagram", opcja Functions / Arithmetic i wybierz "Not") - Połącz zacisk przycisku "Koniec" do negatora i negator do zacisku warunkowego pętli. Może to wyglądać np. tak: - Uruchom program (bez pracy krokowej), zmieniaj położenie pokrętła i patrz na miernik. Koniec działania przez kliknięcie przycisku "Koniec". Całość może wyglądać następująco:
3.5 Pętla FOR i rejestry przesuwające - Otwórz nowy VI i wykonaj płytę czołową pokazaną poniżej - Wstaw wskaźnik cyfrowy "Digital Indicator" i nazwij go Maksimum; - Wstaw wykres "Waveform Chart" (paleta Graph), dopasuj wymiary i dodaj wyświetlanie scrollbar i wartości cyfrowej (przytrzymaj prawy klawisz, opcja Visible Items i ustaw Digital Display i X Scrollbar). Nazwij go "Wartości losowe". Oś y przeskaluj na zakres od 0 do 1 Skonstruuj teraz diagram jak niżej: - Umieść pętlę FOR (paleta Programming / Structures / For Loop). Zacisk oznacza liczbę pętli (musi być wpisany z zewnątrz), jest licznikiem pętli. Zaciski i są odpowiednio rejestrami wejściowymi do pętli i wyjściowymi. To, co zostanie przekazane do zacisku wyjściowego w czasie wykonania pętli n jest przekazane do zacisku wejściowego w czasie wykonania pętli n+1. Podczas wykonania pierwszej pętli zacisk wejściowy pobiera z zewnątrz wartość inicjującą, natomiast podczas wykonania ostatniej pętli zacisk wyjściowy przekazuje wynik dalej.
- funkcja Liczba Losowa "Random Number" od 0 do 1 (paleta Programming / Numeric) - stała "Numeric Constant" (paleta Numeric). Oznacza liczbę pętli do wykonania. - stała j.w., oznacza wartość początkową (inicjującą) do obliczenia wartości maksimum. - funkcja "Max & Min" (paleta Programming / Comparision) porównuje dwie wartości wejściowe i zwraca większą (zacisk prawy górny) oraz mniejszą (zacisk prawy dolny). - Zaciski rejestrów przesuwających umieszcza się przez: wybranie narzędzia operacyjnego, kliknięcie prawym klawiszem na ramce pętli i wybranie "Add Shift Register" - Dokonaj połączeń, uruchom program i prześledź jego działanie (również w trybie krokowym z podglądem danych) - Wykonywanie pętli (WHILE i FOR) możesz spowolnić przez dodanie funkcji opóźnienia "Wait Until Next ms Multiple" (paleta Programming / Timing) należy podać czas (w milisekundach). Możesz to zrobić tak:. Na wejście tej funkcji Całość należy wstawić do wnętrza pętli. 3.6 Dodajmy zapis do pliku - przerobić pętle FOR na WHILE (prawy klawisz myszy na pętli FOR i wybrać REPLACE a następnie z menu pętle WHILE). - dodać klawisz zatrzymujący pętlę lub warunek zatrzymania dla pętli WHILE po 100 próbkach - dodać Write to Spreadsheet File.VI (Programming / File I/O) poza pętlą WHILE -dołączyć wyjście generatora liczb losowych do wejścia 1Ddata Write to Spreadsheet File.VI. -utworzony tunel jest bez autoindeksacji, więc połączenie jest nieprawidłowe, bo do wejścia gdzie oczekiwano jednowymiarowej tablicy dołączono skalarną (pojedynczą) daną. -kliknąć prawym klawiszem myszy na tunelu i wybrać Enable indexing
-uruchomić program, odczekać do zakończenia (jeśli ustawiono zakończenie po określonej liczbie iteracji) lub zatrzymać po pewnym czasie (ok. 100 iteracji), podać nazwę pliku do zapisania danych. -obejrzeć plik wynikowy -zmienić program tak aby zapis następował w kolumnie nie w wierszu 3.7 Wykorzystanie funkcji generacji i analizy - Otworzyć nowy VI. - W oknie diagramu wstawić Sine Waveform.VI (Programming / Waveform / Analog Waveform / Waveform Generation), zajrzeć do help a. -W oknie panelu dodać Waveform Graph (Controls/Graph) -dołączyć wyjście (signal out) z Waveform Graph, zaobserwować typ danych połączenia i jego składowe, uruchomić obejrzeć rezultat, zmienić częstotliwość i ponownie obejrzeć. -zamienić Sine Waveform.VI na Basic Multitone.wi (Programming / Waveform / Analog Waveform / Waveform Generation), zajrzeć do help a jakie są domyślne nastawy, spróbować innych. -wstawić FFT Power Spectrum.vi (Programming / Waveform / Analog Waveform / Waveform Measurement) -dołączyć wejście time signal do signal out -na panelu dodać jeszcze jeden Waveform Graph -uruchomić i zaobserwować wyniki. Zmienić okno z domyślnego na inne Sprawdzić różnice. 3.8 Praca samodzielna - skorzystaj z sugestii prowadzącego - lub wykaż własną inwencję (która uraduje prowadzącego ;))) )