ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα 2o Εργαστήριο Σ.Α.Ε Ενότητα : Εισαγωγή στο Labview Aναστασία Βελώνη Τμήμα Η.Υ.Σ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Κατά τη διεξαγωγή της εργαστηριακής άσκησης θα χρησιμοποιηθεί το πρόγραμμα προσομοίωσης Labview. Σκοπός της άσκησης είναι η παροχή στο φοιτητή η γνώση σε θέματα προγραμματισμού LabVIEW για ανάπτυξη εφαρμογών σε επίπεδο συστημάτων μέτρησης και ελέγχου. 4
Περιεχόμενα ενότητας Το LABVIEW Πως δουλεύει το LabVIEW Πειραματικό μέρος Εργασία για εξάσκηση Ερωτήματα 5
Το LABVIEW LABoratory Virtual Instrument Engineering Workbentch (Εργαστήριο Εικονικών Οργάνων) 6
Εισαγωγή στο LABVIEW Το LABVIEW αποτελεί ένα δυνατό και ευέλικτο πρόγραμμα ανάπτυξης εφαρμογών σχεδιασμού και ανάλυσης που αναπτύχθηκε από την National Instruments. 7
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - Labview H γραφική του φύση το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές μετρήσεων, αυτοματισμού, ελέγχου οργάνων και ανάλυση δεδομένων. Παρέχει μια εκτεταμένη βιβλιοθήκη VI s και λειτουργιών, βιβλιοθήκες για συγκεκριμένες εφαρμογές, για λήψη δεδομένων, σειριακό έλεγχο δεδομένων, ανάλυση δεδομένων και είσοδο/έξοδο δεδομένων. Περιλαμβάνει συμβατικά όργανα διόρθωσης λαθών στα οποία μπορούμε να θέσουμε σύμβολα σημείων διακοπής, εκτέλεση προγράμματος βήμα-βήμα και εκτέλεση κίνησης για την παρακολούθηση της ροής δεδομένων. 8
Τα εικονικά όργανα Οι κλασικές γλώσσες προγραμματισμού (C,Basic) χρησιμοποιούν συναρτήσεις και υπορουτίνες για την ανάπτυξη των εφαρμογών τους. Στο περιβάλλον LABVIEW οι αντίστοιχες οντότητες ονομάζονται εικονικά όργανα (Virtual Instruments). 9
Πως δουλεύει το LabVIEW Το LabView έχει τρία βασικά μέρη: Το εμπρόσθιο πλαίσιο ή μιμικό παράθυρο (front panel), το δομικό διάγραμμα (block diagram), και τις παλέτες (palettes) εργαλείων και ελέγχου/λειτουργιών. 10
Front Panel Σχήμα 1 Το εμπρόσθιο πλαίσιο είναι αυτό που κυρίως χειρίζεται ο χρήστης. Στο Σχήμα 1 έχουμε τοποθετήσει στο εμπρόσθιο πλαίσιο ένα περιστροφικό επιλογέα και μια κάθετη μπάρα απεικόνισης. 11
Οθόνη μιμικού παραθύρου (front Σχήμα 2 panel) 12
Βlock Diagram (1) Το δομικό διάγραμμα υπάρχει πάντα μαζί με το εμπρόσθιο πλαίσιο και ισοδυναμεί με τον κώδικα προγράμματος στη γραφική γλώσσα G. Κάθε στοιχείο του δομικού διαγράμματος παριστάνεται από ένα εικονίδιο. Ένα κουμπί μπορεί να είναι μια μεταβλητή που να παίρνει τιμές True/False ή μια μεταβλητή διπλής ακρίβειας για εισαγωγή δεδομένων, οπότε φαίνεται στο δομικό διάγραμμα με το αντίστοιχο εικονίδιο που συμβολίζει τη μεταβλητή. 13
Βlock Diagram (2) Σχήμα 3 Δομικό διάγραμμα που αντιστοιχεί στο εμπρόσθιο πλαίσιο του Σχήματος 1. 14
Βlock Diagram (3) Σχήμα 4: Παράδειγμα λογικού διαγράμματος 15
Οι παλέτες εργασίας στο LABVIEW Το LABVIEW περιέχει 3 γραφικές παλέτες εργασίας με τις οποίες εργαζόμαστε στο περιβάλλον του. 1.ΠΑΛΕΤΑ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ (Tools palette) 2.ΠΑΛΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ (Controls) 3.ΠΑΛΕΤΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΩΝ (Functions) 16
Tools Palette Η παλέτα αυτή περιέχει εργαλεία που είναι κατάλληλα στην δημιουργία και εκτέλεση των εικονικών οργάνων. 17
Controls Palette Κάθε επιλογή στην παλέτα, περιέχει μια υποεπιλογή με επιπλέον κουμπιά ελέγχου και ένδειξης, που σχετίζονται με την αρχική επιλογή μας. Είναι ενεργή μόνο στο Front Panel. 18
Function Palette (1) Η παλέτα εργασίας Function Palette είναι ενεργή μόνο όταν βρισκόμαστε στο Block Diagram. Κάθε επιλογή της παλέτας περιέχει έναν αριθμό από υποπαλέτες. 19
Function Palette (2) πχ. Παλέτα λειτουργιών και περιεχόμενα της βιβλιοθήκης Numeric και Trigonometric 20
BASIC TOOLBAR 21
Εύρεση έτοιμων VIs 22
Κατασκευή ενός Vi 23
Εκτέλεση και έλεγχος λαθών των VI. Εδώ φαίνεται με ποιο τρόπο μπορούμε να κάνουμε debugging και να εκτελέσουμε ένα VI. Έχουμε δημιουργήσει ένα VI που δημιουργεί τυχαίους αριθμούς και με τη βοήθεια των διαφόρων buttons μπορούμε να το εκτελέσουμε ολόκληρο ή step by step, ενώ ταυτόχρονα να μας ενημερώνει για σφάλματα μας (π.χ. λάθος καλωδίωση). 24
Πειραματικό μέρος Παρακάτω δίνονται ορισμένα τυπικά παραδείγματα απλής χρήσης του λογισμικού LabView για τη δημιουργία VI s και τον σχεδιασμό εικονικών οργάνων, που επιτελούν στοιχειώδη μαθηματική επεξεργασία. 25
Π1. Παράδειγμα δημιουργίας πίνακα αριθμών (1) Στο αρχικό παράθυρο του LabVIEW επιλέξτε Find Examples. Στο παράθυρο Search επιλέξτε Arrays. Στο παράθυρο Array Examples επιλέξτε το παράδειγμα Building Tables. Θα εμφανιστεί στην οθόνη σας το Front Panel του Σχήματος 5: 26
Π1. Παράδειγμα δημιουργίας πίνακα αριθμών (2) Σχήμα 5 Η πρώτη στήλη περιέχει τυχαίους αριθμούς x, η δεύτερη στήλη δημιουργείται από την πράξη x^2 και η τρίτη στήλη δημιουργείται από την πράξη sqrt(x) 27
Π1. Παράδειγμα δημιουργίας πίνακα Η πρώτη στήλη περιέχει τυχαίους αριθμούς x, η δεύτερη στήλη δημιουργείται από την πράξη x^2 και η τρίτη στήλη δημιουργείται από την πράξη sqrt(x) αριθμών (3) 28
Π1. Παράδειγμα δημιουργίας πίνακα Σχήμα 6 Τρέξτε το πρόγραμμα από το κουμπί Run για να δείτε τη δημιουργία του πίνακα. Από την παλέτα στο πάνω μέρος του παραθύρου επιλέξτε Windows/Show Diagram για να δείτε το Block Diagram του προγράμματος. αριθμών (4) 29
Π1. Παράδειγμα δημιουργίας πίνακα αριθμών (5) Από την παλέτα στο πάνω μέρος του παραθύρου επιλέξτε Help/Show Help για να εμφανιστεί το παράθυρο βοήθειας. Πηγαίνοντας τον κέρσορα πάνω στα εργαλεία και τα εικονικά όργανα, στο παράθυρο βοήθειας σας εμφανίζεται το εικονικό όργανο και οδηγίες για το πώς λειτουργεί. Δείτε πληροφορίες για τα εικονικά όργανα στο Block Diagram και προσπαθήστε να καταλάβετε πώς λειτουργεί το συγκεκριμένο πρόγραμμα. Τρέξτε το πρόγραμμα με Highlight Execution. 30
Ερωτήσεις Πώς προκύπτει ο αριθμός x ; Γιατί η πρώτη γραμμή του πίνακα είναι πάντα 0 ; Γιατί ο πίνακας έχει 10 γραμμές ; Πώς είναι η έξοδος του Build Array ; 31
Π2. Εικονικός αναλογικός ενισχυτής (1) Μια στάθμη εισόδου θα ενισχύεται με ένα κέρδος από μηδέν μέχρι 10 και η στάθμη της εξόδου θα εμφανίζεται σε έναν μετρητή. Ένας διακόπτης κυλιόμενων ενδείξεων χρησιμεύει για τη ρύθμιση της στάθμης εισόδου, ένα ποτενσιόμετρο ρυθμίζει την ενίσχυση και ένας αναλογικός μετρητής εμφανίζει το αποτέλεσμα. Τέλος, ένας διακόπτης ON/OFF ανοίγει και κλείνει τον ενισχυτή. 32
Π2. Εικονικός αναλογικός ενισχυτής (2) Βήμα 1: Τρέξτε το LabView και επιλέξτε New VI. Βήμα 2: Από την παλέτα Ελέγχου (Controls) επιλέξτε Numeric. Στο παράθυρο που ανοίγει επιλέξτε με τη σειρά: Knob (περιστροφικό ποτενσιόμετρο), meter (αναλογική βελόνη ενδείξεων) και Digital Input (ψηφιακή οθόνη εισόδου δεδομένων). Τοποθετήστε τα στο εμπρόσθιο πλαίσιο σέρνοντάς τα με το ποντίκι. 33
Π2. Εικονικός αναλογικός ενισχυτής (3) Βήμα 3: Από την παλέτα Ελέγχου (Controls) επιλέξτε Boolean. Στο παράθυρο που ανοίγει επιλέξτε έναν διακόπτη ON/OFF. Σύρετε τον διακόπτη με το ποντίκι και αφήστε τον στο εμπρόσθιο πλαίσιο. 34
Π2. Εικονικός αναλογικός ενισχυτής (4) Βήμα 4: Από το παράθυρο των Λειτουργιών (Functions) επιλέξτε Numeric και κατόπιν μεταφέρετε στο διάγραμμα βαθμίδων την πράξη του πολλαπλασιασμού. Με το εργαλείο Connect wire, από τα Εργαλεία (Tools), συνδέστε την είσοδο (DBL Numeric) και το Knob με τους ακροδέκτες εισόδου του πολλαπλασιασμού. Συνδέστε την έξοδο με τον μετρητή (DBL meter). 35
Βασικά μέρη Βασικά μέρη του αναλογικού ενισχυτή στο εμπρόσθιο πλαίσιο και στο διάγραμμα βαθμίδων Σχήμα 7 36
Συνδέσεις στο δομικό διάγραμμα (1) Σχήμα 8 37
Συνδέσεις στο δομικό διάγραμμα (2) Βήμα 5: Πιέστε το εικονίδιο Run Continuously στο παράθυρο του εμπρόσθιου πλαισίου (front panel). Με τα βελάκια ανεβάστε την τιμή της στάθμης εισόδου και κατόπιν περιστρέψτε με το ποντίκι το ποτενσιόμετρο που ρυθμίζει την ενίσχυση. Παρατηρείστε το αποτέλεσμα στον μετρητή. Βήμα 6: Κάνετε κλικ στο δομικό διάγραμμα. Στο παράθυρο των Λειτουργιών (Functions) επιλέξτε Structures. Επιλέξτε While Loop και δημιουργήστε ένα περίγραμμα που να συμπεριλαμβάνει όλα τα εικονίδια στο δομικό διάγραμμα. Κατόπιν με το εργαλείο Connect wire συνδέστε τον διακόπτη Boolean με το κυκλικό βελάκι που εμφανίζεται στο κάτω μέρος του While Loop. 38
Δομή While Loop για την επανάληψη της διαδικασίας όσο ο διακόπτης είναι ON (1) Σχήμα 9 39
Δομή While Loop για την επανάληψη της διαδικασίας όσο ο διακόπτης είναι ON (2) Βήμα 7: Επιλέξτε το εργαλείο operate value από την παλέτα Tools. Ενεργοποιήστε με το ποντίκι τον διακόπτη Boolean. Κατόπιν πατήστε το πλήκτρο Run στο εμπρόσθιο πλαίσιο. Παρατηρήστε ότι η εφαρμογή σας τρέχει και κάνει ενίσχυση όσο ο διακόπτης είναι στο ΟΝ. Η διαδικασία σταματά μόλις ο διακόπτης γίνει OFF. 40
Π3. Παραγωγή ημιτόνου (1) Στην άσκηση αυτή χρησιμοποιούμε μια βασική δομή προγραμματισμού που διαθέτει το πρόγραμμα LabView, τη δομή WHILE LOOP. Πρόκειται για ένα βρόχο επανάληψης, ο οποίος επαναλαμβάνει διαρκώς το πρόγραμμα που είναι γραμμένο στο εσωτερικό του, όσο είναι αληθής η συνθήκη που ελέγχει το βρόχο. Με τη βοήθεια του WHILE LOOP και των τριγωνομετρικών συναρτήσεων θα δημιουργήσουμε ένα εικονικό όργανο που παράγει μια ημιτονική κυματομορφή και την καταγράφει σε διάγραμμα. 41
Π3. Παραγωγή ημιτόνου (2) Από την παλέτα controls επιλέξτε Graph και διαλέξτε το διάγραμμα κυματομορφής (waveform chart). Τοποθετείστε στο front panel το διάγραμμα, όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 10. 42
Σχήμα 10 Εισαγωγή γραφήματος στο εμπρόσθιο πλαίσιο (1) 43
Εισαγωγή γραφήματος στο εμπρόσθιο πλαίσιο (2) Τη συνάρτηση ημίτονο (sine) θα τη βρείτε στην παλέτα συναρτήσεων (Function Palette) στο τμήμα Numeric, Trigonometric. Θα χρειαστείτε και τη λειτουργία αναμονής (Wait), προκειμένου να υπάρχει μια μικρή καθυστέρηση ανάμεσα σε διαδοχικά σημεία του ημιτόνου. 44
Εισαγωγή γραφήματος στο εμπρόσθιο πλαίσιο (3) Επιλέξτε το εργαλείο Connect wire. Κάνετε δεξί κλικ πάνω στον ακροδέκτη συνθήκης και επιλέξτε Create Constant. Με το εργαλείο Operate Value κάντε αριστερό κλικ πάνω στο γράμμα Τ, στη λογική μεταβλητή που δημιουργήθηκε, ώστε να την κάνετε TRUE. Για να ξεκινήσει το πρόγραμμα πατήστε RUN. 45
Σχήμα 11 Δομικό διάγραμμα για την παραγωγή ημιτόνου (1) 46
Δομικό διάγραμμα για την παραγωγή ημιτόνου (2) Τρέξτε το πρόγραμμα και παρατηρείστε τη διαφορά. Κάντε δεξί κλικ στα χαρακτηριστικά του διαγράμματος (Plot Legend, επάνω δεξιά γωνία, όπου αναγράφεται Plot 0) και επιλέξτε στυλ σημείων (Point Style) ώστε να φαίνονται τα σημεία. 47
Εργασία για εξάσκηση (1) 1. Δημιουργήστε ένα VI για την εύρεση του μεγαλύτερου από δύο αριθμούς. 48
Εργασία για εξάσκηση (2) 2. Να κατασκευάσετε έναν εικονικό DAC που να δέχεται δυαδική είσοδο 8 bits και να παράγει έναν δεκαδικό από μηδέν έως 255. Να ακολουθήσετε τα διαγράμματα που δίνονται στο φύλλο έργου. 49
Εμπρόσθιο πλαίσιο και δομικό διάγραμμα για DAC 8 bits 50
Απαντήστε στα ερωτήματα (1) Τι είναι το Labview και ποιο το βασικό του πλεονέκτημα; Τι είναι τα εικονικά όργανα στο Labview και από τι αποτελούνται; Τι είναι τα όργανα χειρισμού και ένδειξης; Τι είναι το λογικό διάγραμμα και από τι αποτελείται; Ενώ βρισκόμαστε στο Front Panel πως μπορούμε να κάνουμε ορατό το Block Diagram; 51
Απαντήστε στα ερωτήματα (2) Με ποιο τρόπο μπορούμε να λάβουμε πληροφορίες για κάποιο αντικείμενο ενός VI; Ποιες επιλογές έχουμε; Αναφέρατε και περιγράψτε συνοπτικά τις παλέτες εργασίας στο Labview. Πού εμφανίζεται η Controls και που η Functions Palette; Τι περιέχουν οι Numeric, Boolean και List and Ring sub-palettes της Controls Palette και σε τι διαφέρουν μεταξύ τους; Από ποια υποπαλέτα εισάγουμε γραφήματα; 52
Απαντήστε στα ερωτήματα (3) Σε ποια υποπαλέτα της Functions Palette θα αναζητήσουμε συνθήκες; Σε ποια υποπαλέτα της Functions Palette βρίσκονται τα όργανα παραγωγής και επεξεργασίας σήματος; Ενώ βρισκόμαστε στο Block Diagram πώς μπορούμε να βρούμε σε ποιο όργανο του Front Panel αντιστοιχεί ένας indicator ή ένας control; 53
Τέλος Ενότητας