教学材料《LabVIEW实验与应用》-第１５章

１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境使用ＬａｂＶＩＥＷ开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称ＶＩ。ＶＩ包括三个部分：前面板、程序框图和图标／连接器。前面板是ＶＩ程序的用户操作界面，是ＶＩ程序的交互式输入输出接口，通常使用输入控件和显示控件来创建前面板，因此它可用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在前面板上，输入量被称为控制（Ｃｏｎｔｒｏｌｓ），输出量被称为显示（Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上的，如旋钮、开关图标、指示灯、转盘、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境每一个前面板都对应着一段程序框图，前面板创建完毕之后，可使用程序框图来添加源代码，程序框图是图形化源代码的集合，它决定ＶＩ的运行方式，用ＬａｂＶＩＥＷ图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。创建ＶＩ前面板和程序框图之后，可以创建ＶＩ图标／连接器，以便将该ＶＩ作为子ＶＩ来调用。图标／连接器是子ＶＩ被其他ＶＩ调用的接口，它相当于文本编程语言中的函数原型。图标是子ＶＩ在其他程序框图中被调用的节点表现形式，它位于前面板和程序框图窗口的右上角，可包含文字、图形、图文组合；而连接器则表示节点数据的输入／输出口，就像函数的参数。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应，若要将ＶＩ作为子ＶＩ被其他ＶＩ调用，需要创建连线板，连线板集合了ＶＩ的各个接线端，与ＶＩ前面板中的空间相互呼应，类似于文本编程语言中调用函数时使用的参数列表连线板，明确标明了可以与该ＶＩ连接的输入输出端子，以便ＶＩ作为子ＶＩ调用。ＬａｂＶＩＥＷ的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的ＶＩ程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。ＬａｂＶＩＥＷ具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境操作模板共有三类，分别为“工具”（Ｔｏｏｌｓ）选板、“控件”（Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）选板和“函数”（Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）选板。“工具”选板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试ＶＩ程序的工具。如果该选板没有出现，则可以在“Ｗｉｎｄｏｗｓ”菜单下选择“ＳｈｏｗＴｏｏｌｓＰａｌｅｔｔｅ”命令以显示该选板。当从选板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从“Ｗｉｎｄｏｗｓ”菜单下选择了“ＳｈｏｗＨｅｌｐＷｉｎｄｏｗ”功能后，把“工具”选板内选定的任一种工具光标放在程序框图的子程序（ＳｕｂＶＩ）或图标上，就会显示相应的帮助信息。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境程序框图中的“工具”选板与前面板中介绍的“工具”选板完全一致，打开与关闭方式也一致，“工具”选板可以同时位于前面板和程序框图中。与“工具”选板不同，“控件”选板和“函数”选板只显示顶层子选板的图标。在这些顶层子选板中包含许多不同的控制或功能子选板，通过这些控制或功能子选板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。用鼠标单击顶层子选板图标就可以展开对应的控制或功能子选板，只需按下控制或功能子选板左上角的大头针就可以把这个子选板变成浮动板留在屏幕上。用“控件”选板可以给前面板添加输入控制和输出显示。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境每个图标代表一个子选板。如果“控件”选板不显示，可以用“Ｗｉｎｄｏｗｓ”菜单中的“ＳｈｏｗＣｏｎｔｒｏｌｓＰａｌｅｔｔｅ”功能打开它，也可以在前面板的空白处单击鼠标右键，以弹出“控件”选板。“控件”选板包括新式、系统、经典、Ｅｘｐｒｅｓｓ方式的控件，以及其他选板安装的工具包和用户自定义的控件。在新式、系统、经典方式中，根据不同输入控件和显示控件的类型，控件被归入不同的子选板之中，子选板包括数值控件（如滑动杆和旋钮）、布尔控件（如按钮和开关）、字符串和路径、数组、簇、列表框、树形控件、图表、表格、下拉列表控件、枚举控件和容器控件等。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境“函数”选板中包括创建程序框图所需要的函数和ＶＩ，“函数”选板仅位于程序框图窗口，“函数”选板是创建程序框图的工具，函数和ＶＩ按照不同的类型被归入不同的子选板中。该选板上的每一个顶层图标都表示一个子选板。若“函数”选板不出现，则可以用“Ｗｉｎｄｏｗｓ”菜单下的“ＳｈｏｗＦｕｎｃｔｉｏｎｓＰａｌｅｔｔｅ”功能打开它，也可以在程序框图窗口的空白处单击鼠标右键以弹出“功能”子选板。函数和ＶＩ的类型包括编程、测量Ｉ／Ｏ、仪器Ｉ／Ｏ、数学、信号处理、数据通信、互连接口、Ｅｘｐｒｅｓｓ，以及用户自定义和收藏的函数和ＶＩ类型。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境在启动窗口创建一个ＶＩ程序时，选择“文件”→“新建ＶＩ”命令，新建一个新的空白ＶＩ程序，此时，系统将自动显示ＬａｂＶＩＥＷ的前面板工作界面，“工具”选板和“控件”选板都出现在前面板工作界面，设计一个ＶＩ程序时，需要设计前面板、程序框图和图标／连接器三部分。在实际设计中，具体步骤也大体按照这三个部分分别或者交叉进行。１.前面板使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生的数据接口。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境控制和显示有许多种类，可以从“控件”选板的各个子选板中选取（单击所选控件，光标变成手掌形状），按住鼠标不放，拖曳至适当的位置后再松开鼠标，即可将所需的控件置于前面板窗口工作区；也可以单击选择所需控件之后，将光标移动至工作区适当位置再单击，同样可以放置控件。两种最常用的前面板对象是数字控制和数字显示。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具（见“工具”选板）单击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行数值输入或修改即可。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境２.程序框图创建前面板后，前面板窗口中的控件在程序框图窗口中对应为接线端。在前面板窗口中的主菜单选项选择“窗口”→“显示程序框图”命令（或者按快捷键Ｃｔｒｌ＋Ｅ），或者直接双击所添加的框图对象，即可将前面板的设计界面切换到程序框图窗口，即程序框图的创建界面。从程序框图可以选择或添加所需要的函数对象、编程对象等各种与编程有关的函数对象。程序框图是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点：节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。ＬａｂＶＩＥＷ有两种节点类型———函数节点和子ＶＩ节点。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境两者的区别在于：函数节点是ＬａｂＶＩＥＷ以编译好了的机器代码供用户使用的，而子ＶＩ节点是以图形语言形式提供给用户的。用户可以访问和修改任一子ＶＩ节点的代码，但无法对函数节点进行修改。端点：端点是只有一路输入／输出，且方向固定的节点。ＬａｂＶＩＥＷ有三类端点——对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。对象端点是数据在程序框图部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个ＶＩ的前面板上的对象（控制或显示）都在程序框图中有一个对象端点与之一一对应。当在前面板创建或删除对象时，可以自动创建或删除程序框图中相应的对象端点。控制对象对应的端点在程序框图中是用粗框框住的，它们只能在ＶＩ程序框图中作为数据流源点。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境显示对象对应的端点在框图中是用细框框住的，它们只能在ＶＩ程序框图中作为数据流终点。常量端点永远只能在ＶＩ程序框图中作为数据流源点。图框：图框是ＬａｂＶＩＥＷ实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制ＶＩ程序的执行方式。代码接口节点（ＣＩＮ）是程序框图与用户提供的Ｃ语言文本程序的接口。连线：连线是端口间的数据通道。它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。上一页下一页返回１５.１ＬａｂＶＩＥＷ开发环境在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。当需要连接两个端点时，在第一个端点上单击连线工具（从“工具”选板调用），然后移动到另一个端点，再单击第二个端点。端点的先后次序不影响数据流动的方向。当把连线工具放在端点上时，该端点区域将闪烁，表示连线将接通该端点。当把连线工具从一个端点接到另一个端点时，不需要按住鼠标键。当需要连线转弯时，单击一次鼠标键，即可以正交垂直方向弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。上一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例下面对ＬａｂＶＩＥＷ的部分实例进行详细介绍，从实例中学习ＬａｂＶＩＥＷ强大的图形化编程魅力。［例１５.２.１］利用合适的数组函数，计算数组元素总个数；提取数组中第３行的元素，循环后移２位；指定数组第０行所有元素；合并数组；计算数组的最大值、最小值；转置数组。数组是文本程序设计中使用最广泛的数据类型之一，ＬａｂＶＩＥＷ中数组是相同数据类型元素的集合，由元素和维数两个参数定义；同时，不同于Ｃ语言及其他编程语言的是，ＬａｂＶＩＥＷ中的数组可以根据元素的多少动态改变大小，从而节省空间。元素是数组中每个单元的数值、维数。下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例数组中的元素可以是任何基本数据类型，如数值型、布尔型、字符串型等。在前面板创建数组控件建立数组的步骤如下：（１）从“数组和类”子选板（“Ｃｏｎｔｒｏｌｓ”→“ＡｌｌＣｏｎｔｒｏｌｓ”→“Ａｒｒａｙ＆Ｃｌｕｓｔｅｒ”）上选中“数组”（Ａｒｒａｙ）命令，放置在前面板设计窗口中，此时为一个数组空壳，可以向里面添加（用拖曳的方法）数字、布尔、字符等数据类型的控制器和指示器，来建立相应的数组控制器和指示器。此时可以看到数组上有以下两个显示窗：标号显示窗：标号从０开始，每单击一次“增加”键，标号显示值按顺序递增。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例这个标号就是数组元素的序号；对于一个含ｎ个元素的数组，其标号为０～ｎ－１。元素显示窗：用来显示元素的数值。数组中的元素按序号排列。数组元素的查找按行／列标号进行。（２）增加维数。鼠标右键单击标号窗口，弹出一个快捷菜单，选择“添加维度”选项来增加数组的维数。每单击“添加维度”选项一次，就增加一维；也可以通过直接改变索引框的大小来增减维数；或者选择数组的右键快捷菜单选项“属性”，在弹出的“属性”对话框中改变数组的维数。下面分别介绍选用的函数、程序框图和函数结果，操作步骤如下：上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例（１）使用“编程”→“数组”→“函数大小”函数计算数组的个数。函数的输入为“数组”值，如图１５.２.１所示，根据嵌套循环的结果，可知循环输出结果为一个４行５列的数。（２）使用“编程”→“数组”→“索引数组”函数索引数组的具体行列元素。函数的输入为“数组”，指定行的索引号为“３”，由于要索引第３行的所有元素，因此不对函数指定索引的列号。如图１５.２.２所示，选用“编程”→“数组”→“一维数组移位”函数，数组第３行元素循环后移２位。（３）使用“编程”→“数组”→“数组插入”函数对在数组中索引指定的位置插入元素或子数组。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例如图１５.２.３所示，连线数组至该函数时，函数可自动调整大小以显示数组各个维度的索引。在ｎ维数组中索引指定的位置插入元素或子数组。连接数组至该函数时，函数可自动调整大小以显示数组各个维度的索引。（４）使用“编程”→“数组”→“添加数组”函数在数组的最后添加一行元素，数组添加的元素合并在原数组的后面，如图１５.２.４所示，该函数连接多个数组或向Ｎ维数组添加元素。也可使用“替换数组子集”函数修改现有数组。（５）使用“编程”→“数组”→“数组最大值与最小值”函数计算数组的最值。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例同时返回数组所有元素的最大值、最大值索引、最小值、最小值索引，索引号是一个二维数组，包括行索引号和列索引号，最大／小值的数据类型和结构与数组中的元素一致。最大／小值索引是第一个最大／小值的索引。如数组是多维的，最大／小值索引为数组，元素为数组中第一个最大／小值的索引，如图１５.２.５所示。（６）使用“编程”→“数组”→“二维数组转置”函数对数组进行转置，数组转置函数可以重新排列二维数组的元素，使二维数组［ｉ，ｊ］变为已转置的数组［ｊ，ｉ］。如图１５.２.６所示，输出的结果为一个５行４列的数组。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例（７）完整的程序框图如图１５.２.７所示。运行程序，前面板结果如图１５.２.８所示。［例１５.２.２］实时动态显示多条二输入可控颜色正弦曲线。ＬａｂＶＩＥＷ的“图形”子选板（“Ｃｏｎｔｒｏｌｓ”→“ＡｌｌＣｏｎｔｒｏｌｓ”→“Ｇｒａｐｈ”）提供完成各种图形显示功能的控件。这里主要介绍“图形”子选板中３种常用的图形控件：波形图表、波形图和ＸＹ图。波形图表可以完成信号的动态显示，即每接收到一个（或一组）数据，就立即显示一个（或一组）数据，但显示的所有数据的总个数或波形的长度是一定的。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例新数据不断淘汰掉旧数据而得以显示。因此，这种显示方式非常适合描述数据动态变化的规律，适合实时数据的动态观察。它可以输入一维或二维数组，显示一维或二维动态波形。属性节点可以在一个应用程序或者虚拟仪器中设定不同的属性，可以使用单击操作工具中的属性终端或者在节点的白色区域单击鼠标右键，并从弹出的快捷菜单中选择“属性节点”选项来操作；可通过单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择“全部转换为读”或“全部转换为写”来改变属性节点中各属性的读写状态。属性节点从头至尾都起作用。只有当错误在其执行之前发生时，属性节点才停止执行，所以要不断地检查可能的错误。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例假如在一个属性中发生错误，ＬａｂＶＩＥＷ会忽略余下的属性并产生一个错误。在前面板中单击鼠标右键，并在弹出的快捷菜单中选择创建一个新的属性节点时，ＬａｂＶＩＥＷ就会在程序框图中创建一个与前面板没有命名连接方式的属性节点。由于节点与创建它的位置没有说明连接方式，所以它们没有参考数字输入，所以用户不需要将属性节点连接到前面板的中断或者控制参数上。下面分别介绍选用的函数、程序框图和函数结果，操作步骤如下：上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例（１）使用“编程”→“结构”→“Ｗｈｉｌｅ循环”函数，Ｗｈｉｌｅ循环会重复执行内部的子程序框图，直至条件接线端（输入端）接收到特定的布尔值。连接布尔值至Ｗｈｉｌｅ循环的条件接线端。鼠标右键单击条件接线端，在快捷菜单中选择真（Ｔ）时停止或真（Ｔ）时继续。在本例中，鼠标右键单击“循环条件”，选择“输入控件”，如图１５.２.９所示，这时，Ｗｈｉｌｅ循环重复执行内部的子程序框图，直至条件接线端（输入端）接收到输入控件特定的布尔值为假，跳出循环，Ｗｈｉｌｅ循环至少执行一次。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例（２）使用“编程”→“结构”→“Ｆｏｒ循环”函数，输出由内外循环共同控制产生的正弦函数，如图１５.２.１０所示，利用ｓｉｎ函数对输入求正弦，输出显示在循环外的波形图表中，ｓｉｎ（ｘ）的输入端可以是标量数值、数值数组或簇、数值簇组成的数组等多种数据类型，输出端ｓｉｎ（ｘ）的数值表示与ｘ一致。同时，外面的条件结构使得程序只有在“开始”按键按下后才能产生波形。（３）在程序设计时，程序运行时常常需要用户实时修改前面板对象的颜色、大小、是否可见等属性，以达到最佳的人机交互目的，这就需要用到属性节点来实现这些功能。上一页下一页返回１５.２ＬａｂＶＩＥＷ实例使用位于前面板的“新式”→“数值”→“带颜色控制盒”控件，控制显示的波形颜色