Создание лабораторных работ в среде LabVIEW

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время персональный компьютер является обязательной принадлежностью практически каждой физической лаборатории. Он широко используются как средство обработки и накопления результатов измерений, а также для управления экспериментальными установками в реальном времени.

Кроме этого, с добавлением специальной внутренней платы или внешнего модуля сбора данных, сам компьютер можно превратить в многофункциональный измерительный прибор, способный во многих случаях заменить традиционные приборы - вольтметры, амперметры, осциллографы, генераторы сигналов и т.д.

Одной из новейших разработок, позволяющей создавать виртуальные измерительные приборы и системы, является программный пакет LabVIEW.

Целью дипломной работы является создание лабораторных работ в среде LabVIEW. В ходе выполнения дипломной работы было также проведено теоретическое исследование среды проектирования и базовых инструментов LabVIEW. Разработанный комплекс лабораторных работ состоит из двух разных лабораторных работ. Каждая со своими методическими материалами, включающими цель лабораторной работы, задание, теоретические сведения, инструкцию по выполнению лабораторной работы.

Актуальностью диплома заключается в применении в различных видах учебных занятий, поскольку виртуальные лабораторные работы, разработка которых возможна на базе предложенной программы LabVIEW, позволяют сменить проведение лабораторных занятий на физических лабораторных стендах их проведением в компьютерных классах. Что особо актуально в наше время, а так же это позволит значительно снизить стоимость лабораторий из-за использования виртуальных приборов.

Более эффективным представляется использование виртуальных моделей систем для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным работам. Модель в данном случае представляет собой сложную модульную структуру, включающую в себя математическую модель самой системы, модели устройств (вольтметры, амперметры …), с помощью которых проводятся измерения на практике, обладающие всеми присущими им характеристиками.

Поскольку при выполнении лабораторных работ огромная часть времени уходит на понимание того, как работать с установкой, то, загрузив модель, студент имеет возможность заранее подготовиться, освоив оборудование, изучив его работу в различных режимах. Он получает возможность на практике проверить свои знания.

Тема ДР соответствует виду профессиональной деятельности "Техническая эксплуатация телекоммуникационных систем".

1. Применение среды программирования LabVIEW для создания лабораторных работ

1.1 Обзор среды графического программирования LabVIEW

Среда разработки лабораторных виртуальных приборов LabVIEW представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа их данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. LabVIEW может использоваться на компьютерах с операционными системами Windows, MacOS, Linux, Solaris и HP-UX. Компьютер, оснащенный измерительно-управляющей аппаратной частью и LabVIEW, позволяет полностью автоматизировать процесс физических исследований. Создание любой программы для достижения этих целей (виртуального прибора) в графической среде LabVIEW отличается большой простотой, поскольку исключает множество синтаксических деталей[15].

LabVIEW является идеальным программным средством для создания систем измерения, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов.

LabVIEW - программа в комплексе с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы, платы захвата и синхронизации видеоизображения для систем машинного зрения, платы управления движением и исполнительные механизмы, а также измерительные приборы, подключаемые к компьютеру через стандартные интерфейсы, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой сложности[3].

1.2 LabVIEW как интегрированная среда разработки

LabVIEW - интегрированная среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами.

С помощью LabVIEW инструментом, прибором или системой, который собирает, анализирует, представляет данные и осуществляет управление, может стать обычный компьютер, стоящий в лаборатории или на производстве, оснащенный дополнительными устройствами ввода информации.

Программирование в LabVIEW осуществляется на уровне функциональных блок-диаграмм. Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают LabVIEW в универсальный инструмент создания интегрированных систем на базе современных компьютеров.

Разработка законченной системы. Как правило программный пакет покрывает только один аспект поставленной задачи, но не решает все проблемы - сбор данных, их анализ, представление и управление. LabVIEW предоставляет все необходимые средства, объединенные единой методологией[6].

Поточное программирование. Поточное программирование освобождает от линейной архитектуры текстовых языков. Так как порядок выполнения программы в LabVIEW устанавливается течением данных между блоками, а не последовательностью строк текста, можно создавать диаграммы, которые имеют несколько параллельных потоков прохождения данных и несколько одновременно выполняемых операций.

Структурное программирование. В то время, как потоки данных предпочтительны для параллельных операций, можно задавать и специальный порядок выполнения. LabVIEW, законченная система программирования, предлагает такие программные структуры, как итеративный цикл (FOR), последовательный цикл (WHILE) и оператор выбора (CASE), для последовательных, повторяющихся или разделяющих операций. Эти структуры представлены как графические рамки, окаймляющие управляемые блоки на блок-диаграмме[11].

Графический компилятор. Во многих приложениях скорость выполнения является критичной. LabVIEW - единственная графическая среда программирования с компилятором, который генерирует оптимизированный код. Скорость выполнения LabVIEW близка к скорости выполнения компилированных Си программ. Поэтому, используя данный графический язык, можно увеличить свою производительность при создании программ без снижения скорости их выполнения.

Гибкость. LabVIEW - открытая среда, которая позволяет легко интегрировать в систему собственные программные и аппаратные разработки[7].

1.3 Виртуальные приборы

Традиционные измерительные приборы не позволяют изменять их функциональные возможности, поэтому приходится закупать все приборы, которые необходимы для изучения какого-либо объекта. Технология виртуальных приборов позволяет превратить обычный персональный компьютер в устройство с произвольной функциональностью. Компьютер с подключенными к нему многофункциональными платами может быть и мощной расчетной машиной, и осциллографом, и вольтметром, и коммутатором сигналов, и частотомером, и системой управления технологическим процессом.

Состав библиотек системы LabVIEW позволяет в короткие сроки создавать необходимые инструменты для различных этапов исследований, начиная от элементарных приборов и заканчивая управляющими, информационно-поисковыми и аналитическими системами. Это дает основание говорить о принципиальных изменениях, которые вносит технология LabVIEW в создание прикладного программного обеспечения, поскольку эта система позволяет реализовать произвольный набор методов измерения, анализа, отображения и управления в автоматизированных системах различного профиля на базе обычного персонального компьютера. Любая программа, созданная в системе LabVIEW, называется виртуальный прибор или виртуальный инструмент[5].

2. Основы программирования в графической среде LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) - графическая среда программирования, созданная фирмой National Instruments (США), которую используют учащиеся и преподаватели учебных заведений по всему миру. Первая версия LabVIEW была выпущена в 1986 году для Apple Macintosh. Благодаря интуитивно понятному графическому языку программирования, преподаватели и ученые с его помощью разрабатывают и создают прототипы новых устройств и с успехом внедряют их на практике.

Однако наиболее полные возможности LabVIEW раскрываются при создании приборов и систем для измерений физических величин в научных экспериментах, лабораторных и промышленных установках. Важным достоинством LabVIEW является возможность управления процессом измерения в автоматическом или интерактивном режиме[7].

Для обработки и анализа данных используется обширный набор функциональных библиотек (общего назначения и специализированных). Взаимодействие с исследователем или оператором осуществляется с помощью продуманного и простого в программировании графического интерфейса. С помощью программ-драйверов LabVIEW эффективно взаимодействует с разнообразными платами ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, модулями ввода видеосигналов, а также со специализированными модульными приборами (осциллографы, анализаторы спектра, генераторы сигналов и т.д.)[13].

2.1 Основные элементы среды программирования LabVIEW

Создание программ в графической среде программирования LabVIEW производится в двух окнах, показанных на рисунке 2.1, называемых:

- Front Panel (лицевая панель);

- Block Diagram (блок-диаграмма).



Рисунок 2.1-Графическая среда программирования LabVIEW

На лицевой панели разрабатывается внешний вид будущего виртуального прибора. Лицевая панель ВП - прежде всего комбинация органов управления и индикаторов. Органы управления моделируют инструментальные устройства ввода данных и передают данные на структурную схему ВП. Индикаторы моделируют инструментальные устройства вывода, которые отображают данные, собранные или сгенерированные структурной схемой ВП[8].

- Элементы управления (Controls) - кнопки и другие устройства ввода данных.

- Элементы отображения (Indicators) - графики, светодиоды и другие индикаторы.

Элементы управления моделируют устройства ввода данных и передают данные на блок-диаграмму ВП.

Элементы отображения моделируют устройства вывода и отображения данных, которые получает или генерирует блок-диаграмма.

На блок-диаграмме разрабатывается исходный код будущего виртуального прибора. В отличии от классических языков программирования, таких как Си, Паскаль, исходный код LabVIEW представляет собой блок-диаграмму, где все команды, операторы циклов и сравнения изображаются графическими обозначениями. Блок-диаграмма состоит из узлов, терминалов и проводников данных[2].

Узлы (Node) - это объекты на блок-диаграмме, которые имеют одно или более полей ввода/вывода данных и выполняют алгоритмические операции виртуального прибора. Они аналогичны операторам, функциям и подпрограммам текстовых языков программирования. Узлы включают в себя функции (functions), подпрограммы (SubVI) и структуры (Structures). Подпрограмма -- виртуальный прибор (ВПП), который можно использовать на блок-диаграмме другого ВП в качестве подпрограммы.

Узлы бывают:

- простые (операторы z=x+y; a=cos(b));

- сложные (конструкции программирования такие, как условия (операторы if, switch, case of), циклы (операторы for, do-while) и т.п.[7].

Объекты лицевой панели на блок-диаграмме отображаются в виде терминалов данных (Data terminals). Терминалы данных обеспечивают обмен данными между лицевой панелью и блок-диаграммой. Различают терминалы данных следующих типов: терминалы управления и отображения данных, терминалы узлов. Терминалы управления и отображения относятся к средствам управления и отображения данных на лицевой панели. Данные, введенные в элементы управления на лицевой панели, поступают на блок-диаграмму через терминалы управления.

Данные между объектами блок-диаграммы передаются по соединительным линиям - по проводникам данных (Wires). Проводник данных аналогичен переменным в текстовых языках программирования. Каждый проводник данных имеет единственный источник данных, но может передавать их ко многим функциям. Проводники данных различаются цветом, стилем и толщиной линии, в зависимости от типа передаваемых данных[10].

В среде LabVIEW объекты соединяются проводниками данных после их помещения на блок-диаграмму.

При запуске графической среды разработчика программного обеспечения National Instruments LabVIEW, появится окно раздела Blank VI (пустой виртуальный прибор). После чего откроются два окна: лицевая панель (Front Panel) и блок-диаграмма (Block Diagram).

Переключаться между окнами можно щелкнув мышкой по соответствующему окну.

В правом верхнем углу каждого окна находится пиктограмма для архивирования созданной программы в качестве нового компьютерного прибора. Здесь же размешена традиционная для приложений Windows полоса главного меню с одинаковыми для обоих окон пунктами: File, Edit. Operate, Tools, View, Windows, Help. Краткое описание функций пунктов главного меню приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1-Краткое описание функций главного меню

Пункты меню	Перевод	Функции
File	Файл	Открытие, закрытие, сохранение и печать программ
Edit	Правка	Редактирование панелей, поиск объектов
Operate	Управление	Запуск и прерывание выполнения программ
Tools	Инструменты	Управление библиотеками программ
View	Просмотр	Просмотр иерархий программ
Windows	Окно	Отображение окон и палитр Lab VIEW
Help	Справка	Дополнительная информация об элементах и функциях Lab VIEW

Ниже полос главного меню расположены линейки инструментов, которые различны для лицевой панели и блок-диаграммы за счет дополнительных кнопок для отладки программ (таблица 2.2).

Таблица 2.2-Назначение кнопок инструментальных панелей

Пиктограмма	Назначение кнопок инструментальных панелей
	Кнопка запуск (Run) при правильно составленной программе
	Вид кнопки запуск (Run) при наличии ошибок в программе
	Вид кнопки запуск (Run) в процессе выполнения программы
	Вид кнопки запуск (Run) в процессе выполнения подпрограммы
	Кнопка непрерывный (повторяющийся) запуск (Run Continuosly)
	Кнопка останова выполнения программы (Abort Execution)
	Кнопка временной паузы выполнения программы (Pause)
	Анимация потоков данных при отладке программ
	Начало пошагового выполнения отладки программ
	Пошаговое выполнение
	Выход из пошагового выполнения программ
	Редактирование текста (шрифт, размер, стиль и текст)

Во время выполнения виртуальный прибор активируется кнопкой Abort Execution. Эта кнопка используется для немедленной остановки выполнения виртуального прибора[12].

2.2 Палитра элементов управления и индикаторов

Для размещения элементов управления и отображения данных на лицевую панель используется палитра элементов управления и отображения, расположены на рисунке 2.2., палитра элементов управления и отображения доступна только с лицевой панели. Для вывода палитры на экран следует щелкнуть правой кнопкой мыши в рабочем пространстве лицевой панели[3].

Все элементы управления и отображения на палитре сгруппированы по разделам:

- Modern - элементы управления и отображения имеют современный стиль (в данном пособии будет использоваться в основном этот раздел);

- System-элементы управления и отображения имеют стиль соответствующий данной операционной системе (кнопки, полосы прокрутки и т.д.);

- Classic - элементы управления и отображения имеют классический стиль (альтернатива стилю Modern)

- Express - распространенные элементы управления и отображения и т.д.

Каждый раздел может делиться, в свою очередь, на подразделы (числовые, строковые индикаторы, кнопки и т.д.)[1].

Рисунок 2.2-Палитра элементов управления и отображения

2.3 Палитра функций

Как было сказано ранее на блоке-диаграмм разрабатывается исходный текст программы.

Для этого используется палитра функций (Functions pallete)показанная на рисунке 2.3. Для вывода палитры на экран следует щелкнуть правой кнопкой мыши в рабочем пространстве блока-диаграмм.

Рисунок 2.3-Палитра функций

Все элементы на палитре сгруппированы по разделам:

- Programming - здесь собраны все основные функции, структуры цикла, сравнения, операторы сложения, вычитания, необходимые для создания большинства приложений;

- Instrument I/O - здесь собраны функции для работы с различными устройствами ввода-вывода (COM-порт и др.);

- Mathematics - здесь собраны функции для математических вычислений (решение системы уравнений, решение дифференциальных уравнений и др.);

- Signal Processing - здесь собраны функции связанные с цифровой обработкой и анализом дискретных сигналов (цифровые фильтры, быстрое преобразование Фурье и др.);

- Express - распространенные функции, связанные как с вычислениями, так и с обработкой данных;

- Select a VI. - функции созданные пользователем[9].

2.4 Палитра инструментов

Создавать, изменять и отлаживать ВП можно, используя палитру инструментов (Tools Palette) (Windows>>Show Tools Palette). Палитра инструментов доступна как на лицевой панели, так и на блок-диаграмме. Термин инструмент подразумевает специальный операционный режим курсора мыши. При выборе определенного инструмента значок курсора изменяется на значок данного инструмента. Палитру Инструментов можно размещать в любой области рабочего пространства блок-диаграммы и лицевой панели[2].

Рисунок 2.4-Палитра инструментов

Если включен автоматический выбор инструмента, то при наведении курсора на объект лицевой панели или блок-диаграммы LabVIEW автоматически выбирает соответствующий инструмент (приведенный в таблице 2.3) из палитры инструментов. Автоматический выбор инструмента включается нажатием на кнопку Automatic Tool Selection палитры инструментов (прямоугольник в правом верхнем углу палитры: зеленый - включен, черный - выключен) или нажатием клавиш<Shift-Tab>[11].

Таблица 2.3-Инструменты из палитры Tools

№ п/п	Внешний вид	Описание
1		УПРАВЛЕНИЕ (<палец>) используется для изменения значения элементов управления или ввода текста. При наведении курсора на такой элемент как строковый элемент управления, значок инструмента меняется;
2		ПЕРЕМЕЩЕНИЕ (<стрелка>) используется для выбора, перемещения или изменения размеров объектов. При наведении инструмента на объект изменяемого размера значок инструмента меняется;
3		ВВОД ТЕКСТА (<А>) используется для редактирования текста и создания свободных меток. При создании свободных меток значок инструмента меняется;
4		СОЕДИНЕНИЕ (<катушка>) подключает объекты друг к другу на структурной схеме;
5		ВЫЗОВ КОНТЕКСТНОГО МЕНЮ (<меню>) вызывает контекстное меню соответствующего объекта по щелчку левой кнопки мыши;
6		БЫСТРАЯ ПРОКРУТКА ЭКРАНА (<ручка>) используется для просмотра окна без использования полосы прокрутки;
7		ВВОД КОНТРОЛЬНОЙ ТОЧКИ (<контрольная точка>) позволяет расставлять контрольные точки на ВП, функциях, узлах, проводниках данных, структурах и приостанавливать в них выполнение программы;
8		УСТАНОВКА ОТЛАДОЧНЫХ ИНДИКАТОРОВ (<пробник>) дает возможность исследовать поток данных в проводниках блок-диаграммы; Используется для просмотра промежуточных значений при наличии сомнительных или неожиданных результатов работы ВП;
9		КОПИРОВАНИЕ ЦВЕТА (<пипетка>) предназначен для копирования цвета с последующей вставкой с помощью инструмента РАСКРАШИВАНИЕ (<кисть>);
10		РАСКРАШИВАНИЕ (<кисть>) позволяет изменить цвет объекта. Он также отображает текущий передний план и параметры настройки цвета фона

Если автоматический выбор инструмента выключен, можно менять инструменты палитры инструментов с помощью клавиши <Tab>. Для переключения между инструментом ПЕРЕМЕЩЕНИЕ и СОЕДИНЕНИЕ на блок-диаграмме или между инструментом ПЕРЕМЕЩЕНИЕ и УПРАВЛЕНИЕ на лицевой панели - достаточно нажать пробел[9].

2.5 Справочная система в LabVIEW

Окно контекстной справки (Context Help) выводится на экран из пункта главного меню Помощь (HelpShow Context Help) или вводом <Ctrl-H> с клавиатуры.

При наведении курсора на объект лицевой панели или блок-диаграммы в окне контекстной справки (Context Help) появляются иконка подпрограммы ВП, функции, константы, элементов управления или отображения данных с указанием всех полей ввода/вывода данных. При наведении курсора на опции диалогового окна в окне контекстной справки (Context Help) появляется описание этих опций. При этом поля, обязательные для соединения, выделены жирным шрифтом, рекомендуемые для соединения поля представлены обычным шрифтом, а дополнительные (необязательные) поля-выделены серым или вообще не показаны[1].

Для отображения встроенной помощи (LabVIEW Help) можно нажать кнопку Detailed Help в окне контекстной справки (Context Help)

Встроенная помощь LabVIEW содержит детальные описания большинства палитр, меню, инструментов, виртуальных приборов и функций, включает в себя пошаговую инструкцию использования особенностей LabVIEW и связана с руководством пользователя (LabVIEW Tutorial), PDF версией учебника LabVIEW и технической поддержкой на Web-сайте National Instruments[10].

2.6 Создание объектов лицевой панели

При создании нового ВИ, либо загрузке существующего на экране появляется окно лицевой панели. Перейти к окну лицевой панели из окна структурной схемы можно, выбрав в меню Windows>>Show Panel.

Создавать объекты на лицевой панели можно, выбрав их из палитры Controls (Windows>>Show Controls Palette).

Выбрав объект, его нужно разместить в любом месте на лицевой панели, а соответствующий терминал появится на структурной схеме[14].

Чтобы выбрать объект, нужно поместить <стрелку> на объект и нажать кнопку мыши либо окружите его прямоугольником выбора, после этого нажать кнопку мыши в свободном месте лицевой панели рядом с объектом и перемещать курсор мыши, удерживая кнопку. Выбранный объект можно переместить в какое-либо другое место, удерживая кнопку нажатой и перемещая курсор. Так же возможно изменить размеры большинства объектов, подводя стрелку к одному из углов объекта. При этом курсор приобретает вид угловой скобки. Удерживая кнопку мыши нажатой и перемещая курсор, выбрать необходимый размер объекта. Чтобы удалить объект, нужно выбрать его <стрелкой> и нажать клавишу <Delete>.

При создании, объекты лицевой панели появляются с прямоугольником метки, в которую сразу же можно ввести текст-название органа управления или индикатора. Если текст не введен, метка исчезает; вызвать ее снова можно из объектного меню объекта лицевой панели, выбрав из него опцию Show>>Label.

Объектное меню вызывается нажатием правой кнопки мыши, когда курсор в виде руки или стрелки находится на объекте.

Для того что бы отредактировать уже созданную метку объекта, нужно выбрать из палитры Tools меточный инструмент и, подведя его к существующей метке, щелкнуть мышью, и в поле метки появится курсор. Можно ввести текст метки и завершить его нажатием кнопки в левом верхнем углу окна.

Чтобы выбрать несколько объектов, можно воспользоваться двумя способами. Во-первых, нажать левую кнопку мыши со <стрелкой> в свободном месте лицевой панели и, не отпуская кнопки, переместить мышь так, чтобы появившийся прямоугольник выбора содержал только те объекты (хотя бы частично), которые нужно выбрать, а затем отпустить кнопку. Во-вторых, выбирать объекты по одному, удерживая нажатой клавишу и щелкая мышью на каждом из объектов.

Изменить цвет лицевой панели или ее индикаторов и органов управления. Для этого выбрать из палитры Tools <кисть>, и, установить его рабочий конец на какой-либо объект, нажав правую кнопку мыши. Появится цветовая палитра, из которой выбрать любой понравившийся цвет и нажать на нем правую кнопку мыши[4].

2.7 Создание объектов структурной схемы

Чтобы перейти от окна лицевой панели к окну структурной схемы, нужно выбрать Windows>>Show Diagram. Структурная схема содержит терминалы для всех органов управления и индикаторов лицевой панели.

Создавать объекты структурной схемы, нужно выбрать их из палитры Functions (Windows>>Show Functions Palette)[10].

Установка объектов на структурной схеме, их выбор, перемещение и удаление осуществляются аналогично действиям с объектами лицевой панели. Однако, размеры большинства объектов структурной схемы изменить нельзя. Невозможно также удалить терминалы объектов лицевой панели на структурной схеме: для этого необходимо удалить сам орган управления или индикатор на лицевой панели[1].

2.8 Элементы программирования в системе LabVIEW

В LabVIEW блоки выполняются последовательно (потоковая модель обработки данных. Этим язык LabVIEW отличается от текстовых языков программирования (С, Pascal и др.), где порядок выполнения операций задается последовательностью записи операторов. Очередность выполнения блоков определяется их зависимостью друг от друга. Если один блок нуждается в данных, которые выдаются другими блоками, то он не начнет выполняться до тех пор, пока не получит от них всех необходимых данных. Таким образом, обработка потока данных осуществляется поступлением самих данных. Если же данные образуют замкнутый цикл, это будет ошибкой[11].

LabVIEW может оперировать с разными типами данных, обозначаемых на схемах цветом. В представленных лабораторных работах будут встречаться следующие типы:

- Numeric - численные типы. Состоит из тригонометрических, логарифмических и других функций.

- Structures (структуры). Состоит из управляющих структур программы, таких как циклы For Loop, While Loop и другие.

- Time & Dialog (время и диалог). Состоит из функций для диалоговых окон, синхронизации, и обработки ошибок

- Mathematics (математические). Состоит из оптимизационных, алгебраических, интегральных, дифференциальных и других функций.

- Graph (виртуальные осциллографы). Состоит из индикаторов, для построения графиков данных в графах или диаграммах в реальном масштабе времени.

- Array & Cluster (массивы и кластеры). Состоит из регуляторов и индикаторов для группировки наборов типов данных.

- Boolean (булевы функции). Состоит из логических и булевых функций.

Числовые функции. Арифметические функции являются полиморфными. Это означает, что на поля ввода этих функций могут поступать данные различных типов в разных комбинациях-скалярные величины, целые и вещественные (Numeric), массивы (Array), сигнальные типы (Waveform). Результатом операции будет тип с большей размерностью.

Узел Формулы . Каждый стандартный узел LabVIEW из палитры Funtions выполняет только одну операцию, например, сложение (+), умножение () и т.д. Это наглядно, но в случае больших математических выражений выглядит на блок-схеме громоздко и неудобно. Поэтому в LabVIEW предусмотрена также возможность вставлять узлы-структуры с традиционными текстами программного кода на языке C, что выполняется с помощью узла Формулы (Formula Node). Использовать этот узел удобно, когда математические выражения имеют много переменных, или они достаточно сложные, а так-же для использования уже имеющихся текстовых математических кодов, которые можно копировать и вставлять в него. В один узел можно писать много формул, задавать циклы[12].

3. Разработка лабораторных работ в программе LabVIEW

3.1 Лабораторная работа №1 «Исследование функций и построение сложных кривых в среде LabVIEW»

Цель работы: изучить возможности среды LabVIEW. Основные приемы программирования и отладки программ.

Задание. Разработать программу вычисления координат и построения графика окружности, заданной параметрическим способом:

X=XO+R*COS(A),

Y=Y0+R*SIN(A),

где R - радиус окружности, R = 3;

ХО - координата центра окружности, ХО = -1;

Y0 - координата центра окружности, Y0 = 2;

А - параметр, А € [0; 360°].

Порядок выполнения работы:

1. Осуществите запуск среды LabVIEW. В появившемся главном окне программы выберите команды: New->Blank VI для создания нового файла. Далее выберите меню: Window ->The Left and Right для одновременного отображения на экране двух окон программы: серой и белой панелей. Серая лицевая панель (обычно располагается слева) - инструмент пользователя, который предназначен для размещения элементов ввода и вывода данных в виде привычных технических устройств, таких как: цифровые указатели, ползунковые реостаты, регуляторы громкости, осциллографы и т.д.. Белая (обычно располагается справа) - блок-диаграмма, на которой вызываются пиктограммы различных функций и структур и составляется графический код программы. Для совершения различных операций с помощью курсора необходимо вызвать палитру инструментов с помощью меню: View ->Tools Palette на лицевой панели или на блок-диаграмме.

2. Создайте на лицевой панели четыре цифровых элемента управления для исходных данных задачи: ХО, YO, R, А. Для этого щелчком ПКМ по серой панели вызовите палитру элементов управления (Controls) и закрепите ее, активизировав кнопку в левом верхнем углу палитры. Откройте пункт меню Num Ctrl, выберите в нем первый элемент в верхнем ряду. На открывшейся палитре элементов управления выделить элемент Num Ctrl со спаренной кнопкой изменения значения параметров (рисунок 3.1). Переместите четыре элемента поочередно перетаскиванием на лицевую панель и расположите их горизонтально в одну строку.

Рисунок 3.1-Палитра элементов управления

Измените собственные метки вызванных регуляторов, подписав вместо Numeric новые обозначения: ХО, YO, R, А. Установите в окошках регуляторов соответствующие значения исходных данных. Значения Х0=-1, Y0=2, R=3 набираются с помощью клавиш указателей, а число А, равное 360, с помощью инструмента ВВОД ТЕКСТА.

Создайте на лицевой панели два прибора для отображения полученных данных - двух лучевой запоминающий осциллограф, работающий в режиме реального времени, и двух координатный самописец. Для этого вернитесь на главную панель палитры элементов управления (Controls), откройте графические индикаторы (Graph Inds), из которых на лицевую панель выносится первый (Chart Graph) и третий элемент (XY-Graph) (рисунок 3.2).



Рисунок 3.2-Графический индикатор

3. Обратите внимание на то, что при появлении элементов на лицевой панели, их пиктограммы сразу же появляются на блок- диаграмме. Освободите среднюю часть блок-диаграммы для построения графического кода программы путем перетаскивания имеющихся элементов в верхнюю и нижнюю части экрана.

Далее щелчком ПКМ на блок-диаграмме вызовите палитру функции (Functions-> Programming). Используя кнопку в верхнем левом углу палитры, нужно зафиксировать ее на экране. В палитре всех функций вызываем первый элемент «Structures» в первом ряду в виде квадрата с утолщенными сторонами, далее в нем выбираем «цикл, повторяющий вычисления с заданным числом итераций - For loop». Перетаскиваем его на блок-диаграмму и растягиваем на большую часть экрана (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3-Палитра функций для выбора циклических структур

лабораторный графический программирование labview

Вернитесь к палитре всех функций, откройте панель для операций с числами (Functions-> Mathematics-> Numeric) и зафиксируйте ее на экране. Далее реализуйте формулы, заданные в условии задачи, по пунктам 4 - 6. с помощью узлов под палитры Function-> Programming -> Numeric (рисунок 3.4).

4. Поскольку здесь, как и во многих других средах тригонометрические функции работают с радианной мерой угла, переведите градусы в радианы. Для этого в палитре операций с числами выберите число 2 в Numeric-> Math&Scientific Constants-> 2 и перетащите его внутрь цикла на панели блок-диаграмм.

Вернувшись в Numeric, перенесите на блок диаграмму два арифметических узла: деление и сложение. С помощью "катушки" выведите значение элемента цифрового управления А на границу цикла. Дополнительным щелчком создайте здесь терминал (заштрихованный квадратик) ввода данных в цикл. Соедините выход узла 2 с верхним терминалом узла деления, а к нижнему с помощью проводника подведите значение А. Входы каждой пиктограммы располагаются на ее левой стороне, а выходы - на правой.

Рисунок 3.4-Блок-диаграмма расчета координат и построения кривой окружности

Выход узла деления соединяем с одним из входов узла умножения, а на другой подаем значение текущей итерации от узла "i" внутри цикла. Полученное на его выходе значение равно текущему значению А в радианной мере. При выполнении цикла "i" последовательно принимает значения от 0 до 359, а величина А меняется от 0 до 2.

5. Щелчком ПКМ на панели Numeric найдите тригонометрические функции и пиктограммы функций SIN и COS (Functions-> Mathematics -> Elementary-> Trigonometric-> SIN или COS). Перенесите их внутрь цикла и с помощью инструмента "катушка" подайте на их входы значение А.

6. Вернитесь на панель арифметических действий и поставьте за каждой функцией SIN и COS пиктограмму умножения "*" и сложения "+" (Functions-> Mathematics ->Numeric->элемент умножения "*" или сложения "+").

Умножьте R на значение SIN(A) и COS(A). Выходы узлов умножения просуммируйте с Y0 и ХО соответственно. Выходы сумматоров выведите на правую границу цикла.

7. Соедините образовавшиеся массивы данных X и Y с соответствующими входами XY-самописца для получения графика окружности. Обратите внимание на «сломанную стрелку» запуска программы. Активизируйте ее ЛКМ, в появившемся окне появится перечень ошибок, допущенных при составлении программы. Одна из них: не заполненный терминал счетчика итераций, который подает команду на завершение циклических вычислений. Исправьте эту ошибку, продублировав соединение элемента управления А с внешним входом счетчика итераций «N». Остальные ошибки, если они присутствуют, исправьте самостоятельно.

8. После исправления ошибок, запустите программу и убедитесь, что построенная кривая является окружностью с радиусом R= 3 и центром окружности, расположенным в точке Х0=-1, Y0=2.

Запустите программу в режиме анимации потоков данных. Для этого активизируйте в строке команд на блок-диаграмме элемент в виде "лампочки", а затем стрелку запуска программы. Изучите движение данных и их трансформацию в различных узлах блок-диаграммы.

9. Для отображения изменения координат окружности в зависимости от параметра внесите внутрь цикла двух лучевой осциллограф. Для преобразования его в многолучевой прибор на палитре функций (Functions-> Programming) откройте третью пиктограмму во второй строке (Cluster), а в ней пиктограмму - Bundle (объединение), захватите ее и перенесите внутрь цикла, к входу осциллографа. К двум ее входам подключите X и Y, взятые от проводников соответствующих данных. Выход объединительной панели соедините с осциллографом.

Рисунок 3.5-Лицевая панель расчета координат и построения кривой окружности

10. Для того, чтобы замедлить вычисления и наблюдать построение кривых координат окружностей во времени, с палитры функций (ПКМ->Functions-> Programming->Timing) вызывается пиктограмм, в виде метронома, который переносится внутрь цикла. По умолчанию, цикл рассчитывает всю программу со скоростью 1000 раз в секунду. Подведите инструмент "катушка" с левой стороны "метронома" к терминалу. Выберите команды: ПКМ-> Create->Constant и с клавиатуры наберите время задержки 20 миллисекунд. При этом процесс расчета и отображения координат X и Y замедлится в 20 раз.

Запустите программу и просмотрите процесс построения графиков(рисунок 3.5). Обратите внимание, что первые графики строятся в реальном времени, а сама кривая в координатах X-Y на самописце только после окончания всего цикла вычислений.

3.2 Лабораторная работа №2 «Автоматизация экспериментальных исследований в среде LabVIEW»

Цель: приобрести навыки работы с автоматизированными системами сбора экспериментальных данных, использования формульных узлов и сдвиговых регистров для обработки данных в режиме реального времени.

Задание. Разработать подпрограмму автоматизации обработки данных физического эксперимента по определению электрической емкости конденсатора методом суммирования количества зарядов, стекающих с его обкладок.

Порядок выполнении задания:

1. Выйти в главное диалоговое окно LABVIEW

2. Создадим на лицевой панели: стрелочный прибор для контроля падения напряжения на конденсаторе(Controls->Modern->Numeric->Meter), три цифровых элемента управления (Controls->Modern->Numeric-> Numeric Control) для ввода данных ЭДС, сопротивления Р и остаточного напряжения Uk, три цифровых индикатора (Controls->Modern->Numeric-> Numeric Indicator) для отображения величины заряда 0, емкости конденсатора С и времени разрядки I, как показано на рисунке 3.6.

Для наблюдения за процессом поместим на лицевую панель три осциллографа (Modern->Graph) для регистрации текущих значений напряжения на обкладках конденсатора, силы тока на сопротивлении нагрузки и количества зарядов, стекающих с конденсатора. Щелчком ПКМ по серой панели вызываем соответствующие элементы контроля и индикации. Изменяем собственные метки индикаторов и элементов контроля и вводим значения ЭДС=ЗВ, Р=1000 Ом, Uk =0,1 В.



Рисунок 3.6-Лицевая панель моделирования разрядки конденсатора

3. Вызываем на блок-диаграмме все функции, в них структуры, далее цикл While Loop, переносим его пиктограмму на белую панель и растягиваем на большую часть экрана. Вновь возвращаемся в структуры, активизируем узел формулы(Formula Node), переносим его внутрь цикла и растягиваем его в соответствии с рисунком 3.7.

Вписываем в узел формулы для определения силы тока разрядки I=U/R и суммирования величины зарядов, стекающих с обкладок конденсатора Q=Q0+I*0,1. При этом вторая формула предусматривает организацию процесса численного интегрирования, в котором на каждой новой итерации используется предыдущее значение Q, которое в формуле всякий раз учитывается как новое значение 00. Для запоминания вычисленного значения Q и возвращения его в цикл используется «сдвиговый регистр», который устанавливается щелчком ПКМ на правой границе цикла ->по команде Add Register. При этом на левой и правой границе появляются два терминала - регистры с разнонаправленными стрелками. Правый регистр указывает, что поступившие значения выводятся за границы цикла, а левый - что выведенное значение вновь возвращается в цикл.



Рисунок 3.7-Блок схема моделирования разрядки конденсатора

Для исключения неопределенности при выполнении первой итерации, необходимо задать начальное значение входной регистр равное нулю. Для этого щелчком ПКМ по нему вызвать всплывающее меню, в нем Create->Const, в появившемся прямоугольнике с клавиатуры наберите 0.

4. Для работы формульного узла необходимо ввести в него следующие данные Q0, R и U Щелчком ПКМ на границах узла создаем три входа. В один из них подводим значение сопротивления, в другой - сигнал с левого регистра. В эксперименте сигнал, соответствующий напряжению на обкладках конденсатора поступает с платы автоматизированного сбора данных, подключенной к лабораторной установке.

Для моделирования экспериментального сигнала вызываем все функции далее выбираем Mathematics->Elementary&Special Functions пиктограмму экспоненциальной функции еxp и переносим ее внутрь цикла. В качестве показателя экспоненциальной функции принимаем число i, инвертированное до отрицательного числа и деленное на 10. Выход экспоненты умножаем на величину ЭДС и вводим формульный узел в качестве текущего значения U.

5. Создать на правой границе узла два выхода I и Q, сигналы с которых вывести на входы второго и третьего осциллографов. Для обеспечения операции суммирования заряда продублировать соединение Q с правым регистром. То же выполнить для напряжения, подведя соответствующий сигнал к пиктограмме вольтметра и первому осциллографу.

6. Текущее значение U используется в качестве входного параметра системой автоматического отключения работы цикла. Условие выключения -U < Uк. Для его реализации вызывать с палитры всех функции Programming->Comparison, в ней - узел «<_», и ввести на верхний терминал узла текущее значение U, а на нижнее - заданное значение остаточного напряжения Uк от элемента управления, созданного ранее на лицевой панели. Результат False или Тruе присоединить к терминалу завершения цикла проводником зеленого цвета, который окрашивается автоматически при появлении логического сигнала.

Так как по умолчанию каждый цикл рассчитывается за одну миллисекунду, то для отслеживания динамики процесса установить задержку цикла, равную 100 мс. Для этого на панели всех функции выбирать приборы времени, в ней пиктограмму метронома. Поместить его внутри цикла, найти входной терминал и щелчком ПКМ вызвать всплывающее меню. В нем выбрать команды Сгеаte->Const. В появившемся прямоугольнике с клавиатуры набирать число 100.

7. Значения Q и t, сохраненные в цикле после выполнения последней итерации, выводятся на цифровые индикаторы величины исходного заряда и времени разрядки. Кроме того, вне цикла, после его выполнения, рассчитывается емкость конденсатора: С=Q/U0.

8. Убедитесь, что стрелка запуска цикла имеет правильную, не изломанную форму. Это означает, что программа составлена правильно и готова к запуску. В противном случае - щелчком ПКМ по стрелке вызываем контекстное меню с распечаткой допущенных ошибок. Устраняем их и запускаем программу.

При этом на первых двух осциллографах строятся кривые падения напряжения на обкладках конденсатора и соответствующего уменьшения тока через сопротивление как показано на рисунке 3.6. На третьем осциллографе демонстрируется подсчет по времени величины суммарного заряда, сошедшего с обкладок конденсатора. В конце цикла на цифровых индикаторах появляются значения заряда - Р, емкости конденсатора - С и времени разрядки - t.

4. Техника безопасности

4.1 Обеспечение техники безопасности и охраны труда оператора ЭВМ

4.1.2 Обеспечение безопасности рабочего места

Компьютер-машина для приема, переработки, хранения и выдачи информации в электронном виде, которая может воспринимать и выполнять сложные последовательности вычислительных операций по заданной инструкции -- программе.

Компьютерное устройство потребляет электроэнергию, тем самым создает электромагнитное излучение. Это излучение концентрируется вокруг устройства в виде электромагнитного поля.

В настоящее время о влиянии электромагнитного излучения на организм человека, практически ни чего не известно, однако возможные факторы риска, эт расстройства нервной системы, снижение иммунитета, расстройства сердечно-сосудистой системы.

Правильный выбор рабочего места - дисплей (монитор) является источником электромагнитного излучения. Рекомендуется устанавливать защитный экран для снижения воздействия электромагнитного излучения от задней части другого дисплея.

Недопустимо устраивать рабочие места близко одно от другого. Размещать компьютер необходимо вдали от отопительных приборов и исключать попадания на него прямых солнечных лучей. Недопустимо работать напротив боковой или задней части другого дисплея, если расстояние до него - менее 2 м.

Расположение оргтехники:

- системный блок - помещается на надежную поверхность (крепкий стол, массивная подставка/тумба) - так, чтобы исключать даже случайное его сотрясение;

- дисплей необходимо устанавливать на такой высоте, чтобы центр экрана был на 15-20 см ниже уровня глаз. Расстояние от глаз до экрана - не менее 50 см;

- клавиатура располагается на расстоянии 15-30 см от края столешницы или на специальной выдвижной доске.

Необходимо следить, чтобы бумаги, какие-либо предметы не закрывали вентиляционные отверстия работающих аппаратов.

Рабочая мебель:

- кресло - ширина и глубина сиденья не менее 40 см.; спинка: высота опорной поверхности 30±2 см; ширина не менее 38 см.; подлокотники: длина не менее 25 см; ширина 5-7 см., высота над сиденьем 23+3 см.;

- стол - размеры рабочей поверхности (столешницы): длина - 80-120 см; ширина - 80- 100 см.; высота (расстояние от пола до рабочей поверхности) 68-85 см; оптимальная высота 72,5 см.[19];

Помещение:

- площадь одного рабочего места с компьютером - не менее 6 м2;

- освещение должно быть естественным и искусственным. Естественное освещение обеспечивается через оконные проема. Световой поток из оконного проема должен падать на рабочее место оператора с левой стороны. Искусственное освещение в помещениях эксплуатации компьютеров должно осуществляться системой общего равномерного освещения.

Чистота обязательна при работе за компьютером. Влажную уборку помещения следует проводить ежедневно. Недопустима запыленность воздуха, пола, рабочей поверхности стола и техники. Помещение должно быть оборудовано системами вентиляции, кондиционирования и отопления. Запрещается работа на компьютере в подвальных помещениях.

Микроклимат:

- температура воздуха - от 21 до 25°С (в холодное время года); от 23 до 25?С (в теплое время года);

- влажность воздуха (относительная) - от 40 до 60%. Недопустимы резкие перепады температуры и влажность воздуха более 75%;

- ионизация воздуха - образующиеся в помещении положительно заряженные ионы очень вредны для здоровья, вызывают быстрое утомление, головную боль, учащение пульса и дыхания (из-за недостаточного поступления кислорода в кровь).

Необходимо в начале работы включать общее питание, периферийные устройства, системный блок, в конце работы наоборот - выключать системный блок, периферийные устройства, общее питание. Не обязательно выключать компьютер на время небольших перерывов в работе.

Перед подсоединением/отсоединением устройств ввода-вывода требуется полностью отключать эту технику и компьютер от электросети. При появлении запаха гари или при обнаружении повреждения изоляции, обрыва провода следует немедленно отключить устройства (лучше - общее электропитание) и сообщить о неисправности руководителю.

Прикасаться к задней панели работающего системного блока (процессора) запрещается. Недопустимо попадание влаги на системный блок, дисплей, клавиатуру и другие устройства (лучше не ставить рядом чашку с чаем или кофе, стакан с соком). При интенсивной работе резко возрастает напряженность электрического поля на клавиатуре и «мыши». Работать с «мышью» нужно на специальном коврике[17].

4.1.2 Рабочая поза

Правильная рабочая поза позволяет избегать перенапряжения мышц, способствует лучшему кровотоку и дыханию. Следует сидеть прямо (не сутулясь) и опираться спиной о спинку кресла. Прогибать спину в поясничном отделе нужно не назад, а, наоборот, немного вперед. Недопустимо работать, развалившись в кресле. Такая поза вызывает быстрое утомление, снижение работоспособности.

Чтобы не травмировать позвоночник, важно:

- избегать резких движений;

- поднимаясь/садясь, держать голову и торс прямо.

Необходимо найти такое положение головы, при котором меньше напрягаются мышцы шеи. Рекомендуемый угол наклона головы - до 20°. В этом случае значительно снижается нагрузка на шейные позвонки и на глаза[20].

4.1.3 Дыхание и расслабление мышц

Во время работы за компьютером необходимо:

- дышать ритмично, свободно, глубоко, чтобы обеспечить кислородом все части тела;

- держать в расслабленном состоянии плечи и руки - в руках не будет напряжения, если плечи опущены;

- чаще моргать и смотреть вдаль.

Моргание способствует не только увлажнению и очищению поверхности глаз, но и расслаблению лицевых, лобных мышц (без сдвигания бровей).

Малая подвижность и длительное напряжение глазных мышц могут стать причиной нарушения аккомодации. При ощущении усталости какой-либо части тела необходимо сделать глубокий вдох и сильно напрячь уставшую часть тела, после чего задержать дыхание на 3-5 секунды и на выдохе расслабиться; можно повторить.

При ощущении усталости глаз нужно в течение 2-3 мин окинуть взглядом комнату, устремлять взгляд на разные предметы, смотреть вдаль (в окно). Если резко возникло общее утомление, появилось дрожание изображения на экране дисплея (покачивание, подергивание, рябь), следует сообщить об этом руководителю[21].

4.2 Обеспечение электробезопасности и пожарной безопасности на рабочем месте

4.2.1 Электробезопасность

На рабочем месте пользователя размещены дисплей, клавиатура и системный блок. При включении дисплея на электронно-лучевой трубке создается высокое напряжение в несколько киловольт. Поэтому запрещается прикасаться к тыльной стороне дисплея, вытирать пыль с компьютера при его включенном состоянии, работать на компьютере во влажной одежде и влажными руками.

Перед началом работы следует убедиться в отсутствии свешивающихся со стола или висящих под столом проводов электропитания, в целостности вилки и провода электропитания, в отсутствии видимых повреждений аппаратуры и рабочей мебели, в отсутствии повреждений и наличии заземления при экранного фильтра.

Токи статического электричества, наведенные в процессе работы компьютера на корпусах монитора, системного блока и клавиатуры, могут приводить к разрядам при прикосновении к этим элементам. Такие разряды опасности для человека не представляют, но могут привести к выходу из строя компьютера. Для снижения величин токов статического электричества используются нейтрализаторы, местное и общее увлажнение воздуха, использование покрытия полов с антистатической пропиткой[16].

4.2.2 Пожарная безопасность

Пожарная безопасность -- состояние объекта, при котором исключается возможность пожара, а в случае его возникновения предотвращается воздействие на людей опасных его факторов и обеспечивается защита материальных ценностей.

Противопожарная защита -- это комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей, предотвращение пожара, ограничение его распространения, а также на создание условий для успешного тушения пожара.

Пожарная безопасность обеспечивается системой предотвращения пожара и системой пожарной защиты. Во всех служебных помещениях обязательно должен быть «План эвакуации людей при пожаре», регламентирующий действия персонала в случае возникновения очага возгорания и указывающий места расположения пожарной техники.

Пожары в ВЦ представляют особую опасность, так как сопряжены с большими материальными потерями. Характерная особенность

ВЦ -- небольшие площади помещений. Как известно, пожар может возникнуть при взаимодействии горючих веществ, окислителя и источников зажигания. В помещениях ВЦ присутствуют все три основные фактора, необходимые для возникновения пожара.

Горючими компонентами на ВЦ являются: строительные материалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки, двери, полы, перфокарты и перфоленты, изоляция кабелей и др.

Источниками зажигания в ВЦ могут быть электрические схемы от ЭВМ, приборы, применяемые для технического обслуживания, устройства электропитания, кондиционирования воздуха, где в результате различных нарушений образуются перегретые элементы, электрические искры и дуги, способные вызвать загорания горючих материалов.

...