 |
|
ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРИБОР: ПОДКЛЮЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА К РЕАЛЬНОМУ МИРУ
LabVIEW эволюциясы
1983 жылы National Instruments компаниясы өлшеп-текшейтін жүйелер үшін бағдарламалауды қалайда жеңілдету мен тездетудің жолдарын іздей бастады. Нәтижесінде LabVIEW ауани аспап тұжырымдамасы, яғни өзінен-өзі сұранып тұрған пайдаланушының интерфейсімен біріге алатын өлшеп-текшеу жүйелерінде қолдануға өте икемді сызбалық бағдарламалаудың озық үлгісі болуға дайын тұрған диаграмма-сұлбалық әдісі дүниеге келді. LabVIEW бұйымының алғашқы нұсқасы 1986 жылы Macintosh кәмпүйтеріне арналып ұсынылды. Өйткені, осы кәмпүйтердегі MacOS амалдағыш жүйесі LabVIEW бұйымын жасақтауға барынша қолайлы еді. Көп ұзамай басқа да амалдағыш жүйелер сызбалық бағдарламалау әдісін игере бастады. 1990 жылға қарай National Instruments компаниясы пайдаланушылардың талаптарын ескере отырып, LabVIEW бұйымын қайта жасақтады. Ең бастысы осы бұйымға негіздеп C++ бағдарламалау тіліндегі бағдарламалардың орындалу жылдамдығына жақындайтындай етіп арнайы компилятор жасалды. АҚШ патенттік мекемесі (United States Patent Office)National Instruments компаниясына LabVIEW бұйымын жасақтаумен байланысты бірнеше патент берді. 1992 жылы Windows және Sunамалдағыш жүйелері үшін LabVIEW компиляторы жүзеге асырылды. Осылайша, қалған 10 жыл ішінде (1992-2002) LabVIEW бұйымы, яки пакеті амалдағыш жүйелер мен кәмпүйтерлік платформалардың кез-келгеніне бірінен-біріне еш өзгеріссіз өте беретіндей етіліп жетілдірілді. Нақты сол уақытта – LabVIEW RT (Real Time), жұмыс істеп тұрған WindowsАЖ мен ДК істен шыға қалған жағдайда да дәл белгіленген уақыт аралығында іске асырыла беретін LabVIEW-қолданба, сонан соң нысан-бағдарлы, оқиға-бағдарлы LabVIEW бұйымының нұсқалары жасақталды. 1999 жылы LabVIEW үшін ActiveXұғымымен сыбайлас қондырылған DataSocket протоколын қолданатын Internet-serverдинамикалық бағдарламалау және басқару жүйелері (ауани аспап сервері) пайда болды. Тағы бір қызғылықты жүзеге асырылған нәрселер – пайдаланушының бас тартқан әрекеті (undo), пороль тағайындау әрекеті (installation flogged), молағынды (multithreading), бөле-жара есептеу (distributed computing) мен қатарлас бағдарламалау (parallel threads) және т.б. еді.
<<ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРИБОР: ПОДКЛЮЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА
К РЕАЛЬНОМУ МИРУ
Эволюция LabVIEW
В 1983 году компания National Instruments начала поиски способов сокращения времени, необходимого для программирования измерительных систем. В результате появилась концепция виртуального прибора LabVIEW – сочетания интуитивного пользовательского интерфейса лицевой панели с передовой методикой блок-диаграммного программирования, позволяющего создавать эффективные измерительные системы на основе графического программного
обеспечения.
Первая версия LabVIEW увидела свет в 1986 году. Она была предназначена только для компьютеров Macintosh. Несмотря на то что Macintosh довольно редко использовались в задачах измерений и автоматизации, графическая оболочка их операционной системы MacOS наилучшим образом соответствовала технологии LabVIEW. Довольно скоро и другие наиболее распространенные операционные системы перешли на графический пользовательский интерфейс и начали под-
держивать эту технологию.
К 1990 году разработчики National Instruments полностью переделали LabVIEW, сочетая новые компьютерные технологии с анализом отзывов пользователей.
И, что более важно, вторая версия LabVIEW включала компилятор, делающий скорость исполнения виртуальных приборов сравнимой со скоростью выполнения программ, созданных на языке программирования С. Патентное ведомство США (United States Patent Office) выдало National Instruments несколько патентов, признающих новизну технологии LabVIEW.
С появлением новых графических операционных систем, подобных MacOS, компания National Instruments перенесла ставшую уже признанной технологию LabVIEW на другие платформы - персональные компьютеры и рабочие станции.
В 1992 году благодаря новой открытой архитектуре появились версии LabVIEW для Windows и Sun.
Третья версия LabVIEW пьянилась в 1993 году сразу для трех операционных систем: Macintosh, Windows и Sun. Виртуальные приборы версии 3, разработанные на одной из платформ, могли без изменений запускаться на другой. Эта межплатформенная совместимость дала пользователям возможность выбора платформы разработки и уверенность, что созданные ВП будут функционировать и на других плат-
формах (обратите внимание, что это было реализовано за пару лет до появления Java). В 1994 году список платформ, поддерживающих LabVIEW, увеличился и стал включать Windows NT, Power Macs, рабочие станции Hewlett Packard и в 1995 году - Windows 95.
Lab VIEW 4 была выпущена в 1996 году и обеспечивала большую гибкость оболочки среды разработки, которая позволила пользователям создавать программы, подходящие типу их деятельности, уровню опыта и навыкам разработки. Кроме этого, LabVIEW 4 включала в себя мощные инструменты редактирования и отладки более совершенных измерительных систем, в том числе обмен данными на основе OLE-технологии и распределенных средств исполнения.
Версии LabVIEW 5 и 5.1 (в 1999 году) продолжают наращивать возможности системы: появляется встроенный Internet-сервер, подсистема динамического программирования и управления (сервер виртуального прибора), интеграция с ActiveX и особый протокол для упрощения обмена данными через Internet - DataSocket.
Также введена долгожданная возможность отката действий пользователя (undo), которая уже присутствовала в большинстве компьютерных программ.
Вышедшей в 2000 году новой версии - LabVIEW 6 (известной также как 6i) - сделали «подтяжку лица»: в нее встроили новый комплект объемных элементов управления и индикации, поскольку в то время компьютерная индустрия обнаружила, что внешний вид программного продукта имеет весьма серьезное значение (чему способствовало появление систем Apple iMac и G4). В LabVIEW 6 воплотилась очень серьезная работа по обеспечению как простого и интуитивного интерфейса среды программирования (особенно для непрограммистов!),
так и поддержки множества передовых технологий программирования, например объектно-ориентированного программирования, многопоточности (multithreading), распределенных вычислений (distributed computing) и т.д. И пусть простота графической оболочки LabVIEW не вводит вас в заблуждение: LabVIEW - это инструмент, который является достойным соперником систем программирования
C++ или Visual Basic, да еще и превосходит их в удобстве работы, как отмечают тысячи пользователей.
В версии LabVIEW 6.1, вышедшей в 2001 году, было введено событийно-управляемое (event-oriented) программирование, удаленное управление LabVIEW через Internet и другие улучшения.
Совершенно особой разновидностью LabVIEW, на которую следует обратить внимание, является LabVIEW RT. RT означает Real Time - реальное время.
LabVIEW RT представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения, которая позволяет выделять части кода LabVIEW и загружать их для выполнения на отдельном контроллере, работающем под управлением собственной операционной системы реального времени. Таким образом гарантируется, что выделенные участки LabVIEW приложения будут выполняться в точно определенные моменты времени, даже если Windows «зависнет» и компьютер перестанет работать.
LabVIEW является мощным инструментом программирования, пригодным для решения практически любых задач, например компьютерного моделирования, тем не менее он чаще всего используется для сбора экспериментальных данных и управления приборами и установками, и поэтому содержит множество виртуальных приборов, разработанных специально для этой цели. Например, LabVIEW может
управлять встраиваемыми многофункциональными устройствами сбора данных (plug-in data acquisition – DAQ), которые предназначены для ввода и/или вывода аналоговых и цифровых сигналов. Например, вы можете совместно использовать многофункциональные платы и LabVIEW для мониторинга температуры, формирования управляющих сигналов для экспериментальной установки или определения частоты неизвестного сигнала. LabVIEW также обеспечивает передачу команд и данных по каналу общего пользования (КОП) или через стандартный
последовательный порт компьютера. Канал общего пользования часто применяется для взаимодействия с осциллографами, сканерами и мультиметрами, а также для дистанционного управления подобными приборами. С помощью программного обеспечения LabVIEW допустимо управлять сложными измерительными системами стандарта VXI-, приборами с сетевым интерфейсом Ethernet или через порт USB.
Получив со встроенной платы или внешнего прибора массив данных, вы можете использовать множество содержащихся в LabVIEW виртуальных приборов анализа для всесторонней обработки этих данных и их преобразования.
Часто полезен обмен данными не только с измерительными приборами, но и с другими программными продуктами и удаленными компьютерами. В LabVIEW встроены функции, которые упрощают этот процесс, поддерживая несколько сетевых протоколов, вызов внешнего программного кода или динамических библиотек (DLL) и автоматизацию ActiveX. Оставшаяся часть этой главы посвящена обсуждению типичных задач, для решения которых и был создан LabVIEW.>>
8.2 Деректер жинақтау дегеніміз не
Деректер жинақтау, оларды енгізу/шығару (Data Acquisition - DAQ) дегеніміз нақты дабылды, мысалы нысандағы электр кернеуін өлшеп-текшеп, оны талдап өңдеу, түрлендіру және сақтау мақсатында кәмпүйтерге енгізуді айтамыз. Адамдар көптеген құбылыстар мен оқиғаларды оңай өлшенетін дабылдарға түрлендіруді баяғыдан игере бастаған. Соның нәтижесінде жылдамдық, температура, ылғалдылық, қысым, ағындылық, кеңістіктік орналасу, радиоактивтік, жарық күші т.т. деген ұғымдар күнделікті тіршілікте үйреншікті түсініктерге айналып үлгерген. Датчиктер (кейде оларды «өлшегіш түрлендіргіштер» немесе «сенсорлар» дейді) белгілі бір заңдылықтар негізінде физикалық құбылыстарды дабылға түрлендіреді, мысалға, термопара (thermocouple) температураны электр кернеуіне түрлендіреді, яғни енді бұл құбылысты оп-оңай өлшей саламыз және де қажет болса кәдеге жаратамыз – аналог-цифрлық түрлендіргіштің (АЦТ) көмегімен кәмпүйтерге енгізе аламыз. Датчиктердің басқа мысалдары тензометрлік датчик (strain gauges), шығынанықтағыш (flowmeters), қысым датчигі, олар тиісінше әл-күшті, ағын жылдамдығын және қысымды өлшеп анықтайды.
Осындай датчиктермен түйісу үшін LabVIEW бұйымы DAQ-платасымен, санамақтармен және әртүрлі дабылдар генерациялайтын қондырғылармен жарақталған.
Әлбетте, LabVIEW бұйымының өзекті ортасын – ядросын дабылдардың барлық белгілі-белгісіз түрлерін бірден тани алатындай етіп жарақтау мүмкін емес. Мұндай жағдай кездесе қалса, оның да шешімі табылатындай мүмкіндіктер ойластырылған.Мысалға, дабылды сәйкестендіру (signal conditioning) әрекеті ойластырылған: NI корпорациясы өндірісін игерген LabVIEW бұйымымен түйістірілетін әртүрлі көптеген модульдер бар. Мысалға, Сіз өте жоғарғы кернеулі дабыл енгізіп, зерттеуді қолға алдыңыз делік (найжағайды сондай құбылысқа жатқызуға болады). Бұндай жағдайда дабылды сәйкестендіру міндетті түрде орын алуға тиіс және де ондай дабылды алдын ала гальваникалық айыру әдісіне салып, дәнекерсіздендіру (изоляциялау) қажет, олай етпеген күнде бұл құбылыс апатты жағдайға соқтырары анық. Сәйкестендіру модульдері көптеген қосалқы, бірақ өте қажет функцияларды атқарады: күшейту, әлсірету, сүзгілеу, дәнекерсіздеу т.т. Дабылды сәйкестендіру кей жағдайда қосалқы емес, негізгі функцияға айналуы да әбден мүмкін, үйткені кейбір құбылыстардан алынатын дабылдың дұрыс ескерілмеуі кәмпүйтерлік-бағдарламалық қондырғының істен шығуынан да қымбатқа түсуі мүмкін. Демек, LabVIEW пакетінің көмегімен дабылды өңдемес бұрын оның физикалық табиғатын зерттеп алған жөн, сонан соң барып қана деректер жинақтаудың ауани аспабын (DAQ Vis) пайдаланып LabVIEW ортасында арна көрсеткіштерін алып, жадыға жазып, монитор экранында бейнелеп, файлға сақтап, берілген алгоритм көмегімен талдауға да болады.
<<2.2. Что такое сбор данных
Сбор, или ввод/вывод данных (Data Acquisition - DAQ), упрощенно можно определить как процесс измерения реального сигнала, например электрического напряжения, и передачи этой информации в компьютер для обработки, анализа, преобразования и хранения. На рис. 2.1 показаны компоненты типичной системы сбора
данных. Человек научился преобразовывать большинство физических явлений в сигналы, которые можно измерять: скорость, температура, влажность, давление, текучесть, рН, пространственное положение, радиоактивность, интенсивность света и т.д. Датчики (иногда говорят «измерительные преобразователи» или «сенсоры») воспринимают действие физических явлений и преобразуют их в электрические
сигналы согласно определенным пропорциям. Например, термопара
(thermocouple) преобразует температуру в электрическое напряжение, которое может быть измерено при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Другими примерами датчиков служат тензометрические датчики (strain gauges), расходомеры, (flowmeters) и датчики давления, которые измеряют силу, скорость потока и давление соответственно. В каждом случае электрический сигнал напрямую связан с явлением, которое воспринимается датчиком.
Для взаимодействия с датчиками LabVIEW управляет многофункциональными платами ввода/вывода, чтобы считать аналоговые входные сигналы или сформировать аналоговые выходные сигналы, считать и записать цифровые сигналы,
может также запрограммировать встроенные в DAQ-платы счетчики для измерения частоты сигналов или генерации последовательности импульсов и т.д. Например, аналоговый входной сигнал (электрическое напряжение) поступает с датчика на установленную в компьютер плату ввода/вывода, которая преобразует
напряжение в код и отправляет эту информацию в память для обработки, хранения и других операций.
Не все датчики физических величин имеют форму выходных сигналов, которую плата сбора данных может воспринять непосредственно. Поэтому зачастую требуется согласование сигнала (signal conditioning), осуществляемое специальными модулями, также поставляемыми National Instruments. Например, вы хотите ввести
и проанализировать сигнал очень высокого напряжения (скажем, молнию) – тогда не забудьте позаботиться о гальванической развязке или изоляции сигнала: в подобном случае ошибки обойдутся очень дорого! Модули согласования сигнала выполняют множество функций: усиление, линеаризация, фильтрация, изолирование и т.п. Не все, но многие измерительные задачи требуют согласования сигна-
ла, поэтому следует обратить внимание на специфику задачи и технические характеристики применяемых датчиков и измерительных преобразователей, чтобы избежать потенциальных ошибок. Кроме того, иногда неправильные данные могут быть даже хуже выхода оборудования из строя! Шум, нелинейность, перегрузки и т.д. способны безнадежно исказить сигнал и тут LabVIEW вряд ли поможет. Преобразование сигнала очень часто является не вспомогательной, а обязательной задачей, поэтому вначале следует изучить измерительную часть, а уж потом приступать к программированию.
Для получения данных в лаборатории с использованием технологии виртуальных приборов понадобится многофункциональная плата ввода/вывода (DAQ-плата), компьютер с установленной средой LabVIEW и драйверами применяемой платы сбора данных, а также соединение датчика с платой при помощи, например, терминаль-
ного блока, макетной платы, кабеля или провода. Может также потребоваться оборудование для согласования сигнала - в зависимости от особенностей задачи.
Например, вы хотите измерить температуру. Нужно подключить датчик температуры к каналу аналогового ввода на DAQ-плате компьютера (для этого типа измерений часто требуется предварительное согласование сигнала). Затем, используя виртуальные приборы сбора данных (DAQ Vis) LabVIEW, легко снять показания выбранного канала, ввести их в память, отобразить на экране монитора, записать в файл и проанализировать по заданному алгоритму.
Виртуальные приборы сбора данных LabVIEW предназначены только для работы с платами сбора данных National Instruments. Если вы применяете оборудование других фирм, получите у них драйвер под LabVIEW (если таковой имеется) либо используйте DLL-библиотеки или внешний программный код для вызова функций задействованного оборудования в LabVIEW.>>
9-Дәріс
Девятая лекция: АУАНИ АСПАП:
КӘМПҮЙТЕРДЕГІ БАРША ПАЙДАЛАНЫЛАТЫН АРНА/