Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. — М.: ДМК «Пресс», 2007. — 400 с., с. 14-18.
1.1. Общий взгляд на программную среду LabVIEW
Наше время характеризуется стремительным появлением новых технологий, кардинально меняющих образ деятельности и жизнь многих людей. Особенно ярко это проявляется в области высоких информационных технологий. Из большого множества технологических новшеств специалисту для своей успешной практической деятельности весьма важно опираться или же суметь ориентировать себя
на технологии, имеющие устойчивые мировые тенденции развития. Освоив такую технологию, специалист способен надолго и гарантированно «оседлать» новые методы и соответствующий инструментарий, которые обеспечат ему современное профессиональное качество технических разработок при минимальных временных и материальных затратах.
Одной из таких новых и революционных технологий является технология виртуальных приборов, позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практически любой произвольной сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем. Программная среда LabVIEW является именно таким инструментарием технологии
виртуальных приборов [1-8].
Слово «виртуальный» не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающими с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.
Другим простым пояснительным примером может служить виртуальный генератор сигналов. Такой виртуальный генератор имеет реальный электрический выход, реальные входы для синхронизации, а также виртуальные ручки управления по функциям, аналогичным обычному генератору. Выходные электрические сигналы (гармонический, пилообразный, прямоугольный, случайный и т.д.) деформируются цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Генерация сигналов различной формы осуществляется программно-математическими методами. Например, если для генерации синусоидального сигнала в реальном генераторе используется колебательный контур, включенный в цепь обратной связи усилителя, то в виртуальном генераторе гармонический сигнал получается математически непосредственно по соответствующей тригонометрической формуле для синусоиды. Ясно, что в этом случае генерируется почти идеальный синусоидальный сигнал без нелинейных искажений, с очень стабильной частотой и амплитудой, а также с известной начальной фазой. В реальном генераторе такие метрологические параметры практически недостижимы.
Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы, легко их адаптировать к изменяющимся требованиям, уменьшить затраты и время на разработку.
Общепризнанным мировым лидером технологии виртуальных приборов является компания National Instruments, которая уже более 28 лет производит аппаратное и программное обеспечение, позволяющее создавать системы измерения, управления и диагностики. Программное обеспечение National Instruments (NI) включает в себя среды для разработки приложений LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio, драйверы приборов и различного оборудования, а также высокоуровневые средства управления тестами и обработкой данных. Программное обеспечение использует последние версии операционных систем Windows, Mac OS X, Linux и может быть использовано на различных аппаратных платформах: на персональных и промышленных компьютерах, в распределенных системах.
Программная среда LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования. Широкие функциональные возможности среды LabVIEW позволяют использовать ее в практической работе студенту, инженеру и научному работнику. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет специалисту уделять больше внимания решению самой проблемы. а не процессу программирования.
Особенности среды LabVIEW состоят в следующем:
- функционально полный язык графического программирования, позволяющий создавать программу в форме наглядной графической блок-схемы, которая традиционно используется радиоинженерами;
- встроенные программные средства для сбора данных, управления приборами и оборудованием, обработки сигналов и экспериментальных данных, генерации отчетов, передачи и приема данных и т. д.;
- мощное математическое обеспечение, возможность интеграции программ, написанных в среде математического пакета Matlab;
- наличие более 2000 программ (драйверов), позволяющих сопрягать разработанную программу с разнообразными приборами и оборудованием различных фирм через стандартные интерфейсы;
- наличие большого количества шаблонов приложений, а также свыше 1000 примеров, позволяющих быстро создавать собственные программы, внося в них небольшие коррекции;
- высокая скорость выполнения откомпилированных программ;
- возможность работы LabVIEW под управлением операционных систем Windows2000/NT/XP/, Mac OS X, и Linux Solaris.
Дополнительную и обновляемую информацию о LabVIEW можно найти на сайтах www.ni.com/labview, www.ni.com/russia.
1.2. Программная среда LabVIEW. Краткий обзор модулей и библиотек LabVIEW
Широкий спектр потенциальных возможностей программной среды LabVIEW обеспечивается различными комплектациями, а также набором модулей и инструментов LabVIEW [8].
Пакет LabVIEW поставляется в трех вариантах.
- Базовый пакет LabVIEW Base Package. Представляет собой минимальную комплектацию LabVIEW. Он используется для создания виртуальных приборов для сбора, анализа и отображения данных, а также управления приборами.
- Полный комплект LabVIEW Full Development System. Включает в себя все функции базового пакета LabVIEW Base Package, а также библиотеку анализа и обработки сигналов из более 400 математических функций, событийно-управляемого программирования и дополнительные средства разработки измерительных систем и пользовательского интерфейса, программные драйвера GPIB, VISA, VXI, RS-232, DAQ-устройств.
- Профессиональный комплект LabVIEW Professional Development System. Включает в себя все функции LabVIEW Full Development System, а также дополнительные средства для создания сложных приложений группой разработчиков, работающих с большим количеством виртуальных приборов. В комплект включены пять лицензий на удалённое управление приложениями с помощью стандартного Интернет-браузера.
Дополнительно LabVIEW может снабжаться следующими модулями, расширяющими круг решаемых задач:
- модуль реального времени LabVIEW Real-Time Module. Предназначен для разработки систем сбора данных и управления, работающих в режиме жесткого реального времени. Содержит операционную систему реального времени (ОС РВ). встроенные средства ПИД-регулирования и нечеткой логики, управления исполнительными механизмами приводами. Обеспечивает работу с распределенными, автономными и встроенными системами управления;
- модуль технического зрения LabVIEW Vision Development Module. Модуль предназначен для обработки видеоизображений и высокоуровневых функций машинного зрения, обработки черно-белых, цветных и бинарных изображений, для высокоскоростного поиска изображения по образцу, для измерения расстояний и углов, для потоковой записи на диск с поддержкой формата AVI;
- модуль АСУ ТП LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module. Позволяет создавать приложения на SCADA-уровне (уровень представления данных в АСУ ТП). Поддерживает регистрацию данных, мониторинг технологических процессов, обработку тревог и регистрацию событий, встроенные средства безопасности;
- модуль для программирования ПЛИС LabVIEW FPCA Module. Предназначен для программирования ПЛИС с помощью LabVIEW. Обеспечивает высокоскоростное, детерминированное (гарантированное) исполнение программы с периодом исполнения циклов до 25 нс, одновременное исполнение нескольких задач;
- модуль для программирования встраиваемых процессоров LabVIEW Embedded Development Module. Поддерживает высокоуровневое графическое программирование, интерактивные средства отладки, генерацию С-кодов для интеграции со средствами разработки приложений производителей микропроцессоров;
- модуль для программирования карманных персональных компьютеров (КПК) LabVIEW PDA Module. Модуль предназначен для разработки программ для КПК (Palm OS, Microsoft Pocket PC 2003) с использованием LabVIEW. Имеет встроенные эмуляторы для тестирования программ до загрузки в КПК. Поддерживает CompactFlash или PCMCIA — устройства сбора данных, цифровых мультиметров и устройств CAN, обмен данными по протоколам Bluetooth, Wi-Fi, IrDA, RS-232. Позволяет создавать портативные измерительные устройства, осциллографы, анализаторы спектра и т. п.
Дополнительные возможности для программирования дает набор инструментов LabVIEW:
- LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office — создание и форматирование отчетов для Microsoft Word и Excel;
- LabVIEW Enterprise Connectivity Toolset — взаимодействие LabVIEW с локальными и удаленными базами данных, расширение Интернет возможностей для LabVIEW;
- LabVIEW Signal Processing Toolset — современные алгоритмы анализа сигналов, компоненты для разработки цифровых фильтров, спектрального анализа высокого разрешения;
- LabVIEW Sound and Vibration Toolkit — библиотека для виброакустического анализа со стандартами ANSI и IEC;
- LabVIEW Simulation Interface Toolkit — создание прототипов контроллеров и систем аппаратно-программного тестирования на базе моделей The Math Works Simulink;
- LabVIEW TI DSP Integration Toolkit — работа с сигнальными процессорами Texas Instruments;
- LabVIEW Order Analysis Toolkit — порядковый анализ;
- LabVIEW PID Control Toolset — библиотека ПИД-регулирования;
- LabVIEW Internet Developers Toolkit — разработка Интернет-приложений.