LabVIEW中可用的計(jì)算模型分析與案例

1. 引言

在可執(zhí)行代碼中實(shí)現(xiàn)一個(gè)算法的最有效方式是什么？當(dāng)新的項(xiàng)目增加了工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，而這一復(fù)雜度與最終實(shí)現(xiàn)所需的工程工作量之間的鴻溝擴(kuò)大時(shí)，該問(wèn)題變得與工程人員更為相關(guān)。加州大學(xué)伯克利分校利用“計(jì)算模型（MoC）”概念解答了這一問(wèn)題。我們將探究NI LabVIEW平臺(tái)所提供的一些不同MoC，以及開(kāi)發(fā)人員如何在不同的執(zhí)行目標(biāo)平臺(tái)（包括臺(tái)式機(jī)PC、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、嵌入式微處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）上使用這些模型。

2. 數(shù)據(jù)流

LabVIEW或許因數(shù)據(jù)流MoC最為著稱。對(duì)于數(shù)據(jù)流，一項(xiàng)操作要求開(kāi)發(fā)人員在其執(zhí)行前在所有的輸入中插入數(shù)據(jù)。必須滿足這一條件以執(zhí)行代碼。

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圖1：數(shù)據(jù)流執(zhí)行——在乘法操作前實(shí)現(xiàn)加法操作

數(shù)據(jù)流編程本質(zhì)上是直觀的，因?yàn)樗c人類的思維相仿。其他的優(yōu)勢(shì)還包括能夠方便地實(shí)現(xiàn)和并行化代碼。該數(shù)據(jù)流MoC是該LabVIEW平臺(tái)的基礎(chǔ)，它不需要使用任何額外的模塊或工具集。

3. 數(shù)學(xué)文本公式

在設(shè)計(jì)階段，描述一項(xiàng)算法的最佳工具經(jīng)常是高層次的數(shù)學(xué)函數(shù)。該數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)在于非常易于人們解讀，以及利用定義的復(fù)雜函數(shù)通過(guò)腳本來(lái)解釋執(zhí)行的順序。

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圖2：采用數(shù)學(xué)文本公式實(shí)現(xiàn)巴特沃思濾波器

開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)新推出的LabVIEW 2009數(shù)學(xué)腳本RT模塊（該模塊同時(shí)與Windows和實(shí)時(shí)目標(biāo)平臺(tái)相兼容），在LabVIEW平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)文本公式。

4. ODE建模

開(kāi)發(fā)人員在需要表達(dá)一組耦合的微分方程與代數(shù)方程時(shí)，常常使用常微分方程（ODE）建模，也稱為連續(xù)時(shí)間建模。為實(shí)現(xiàn)該MoC，開(kāi)發(fā)人員采用ODE解析算子數(shù)值求解微分方程。現(xiàn)今，LabVIEW 2009控制設(shè)計(jì)與仿真模塊通過(guò)一種成為控制與仿真循環(huán)的結(jié)構(gòu)增加了ODE技術(shù)。

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圖3：通過(guò)ODE構(gòu)建組塊表示的彈簧-質(zhì)量阻尼系統(tǒng)

5. 狀態(tài)圖

狀態(tài)圖將算法表示為一系列的狀態(tài)，這使其在表示具有有限個(gè)不同工作狀態(tài)的軟件系統(tǒng)（如一個(gè)通信協(xié)議或控制系統(tǒng)）時(shí)尤為有用。狀態(tài)間的通信通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)。這些狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有控制每個(gè)狀態(tài)間執(zhí)行的約束條件。

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圖4：LabVIEW狀態(tài)圖開(kāi)發(fā)環(huán)境

狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移為開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)了抽象的底層細(xì)節(jié)，從而為他們提供了一個(gè)用于創(chuàng)建自述文件與可擴(kuò)展設(shè)計(jì)的系統(tǒng)層次視角。利用該LabVIEW狀態(tài)圖模塊，開(kāi)發(fā)人員可以構(gòu)建基于UML規(guī)范的狀態(tài)圖，以運(yùn)行于臺(tái)式機(jī)、FPGA和嵌入式目標(biāo)平臺(tái)之上。

6. 中斷驅(qū)動(dòng)式編程

在中斷驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng)中，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，使得當(dāng)接受到一個(gè)注冊(cè)事件（如一個(gè)定時(shí)器）時(shí)，激發(fā)一個(gè)響應(yīng)以響應(yīng)該事件。任意一個(gè)中斷式系統(tǒng)都具有兩個(gè)要素：中斷與中斷處理程序。一個(gè)中斷是一種由硬件生成的信號(hào)，它表明一事件已發(fā)生并應(yīng)當(dāng)中止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序。中斷處理程序（也稱為中斷服務(wù)程序）是指通過(guò)向處理器注冊(cè)以便在某個(gè)中斷發(fā)生時(shí)被執(zhí)行的一部分代碼。一旦該處理器察覺(jué)一個(gè)中斷，它掛起當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程，執(zhí)行上下文切換以保存該系統(tǒng)的狀態(tài)，并執(zhí)行中斷處理程序。一旦該中斷處理程序的代碼執(zhí)行完成，該處理器將控制權(quán)交還先前在運(yùn)行的程序。

在中斷驅(qū)動(dòng)式編程模式下，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)利用最少的處理器開(kāi)銷快速響應(yīng)同步事件或異步事件的高效率代碼。

利用LabVIEW，開(kāi)發(fā)人員可以編程實(shí)現(xiàn)基于其系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生事件的響應(yīng)和定時(shí)循環(huán)的執(zhí)行。LabVIEW FPGA中斷可以通過(guò)響應(yīng)該中斷的LabVIEW實(shí)時(shí)模塊進(jìn)行觸發(fā)。

在LabVIEW中創(chuàng)建中斷的另一個(gè)方法便是通過(guò)面向ARM微控制器的NI LabVIEW嵌入式模塊使用中斷管理器。開(kāi)發(fā)人員可以利用VI和定時(shí)循環(huán)，響應(yīng)定時(shí)器和數(shù)字輸入等中斷。

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圖5：利用面向ARM微控制器的LabVIEW嵌入式模塊進(jìn)行中斷管理

7. C 代碼

C語(yǔ)言是一種程序式編程語(yǔ)言，這意味著一項(xiàng)程序必須采取一組步驟序列才可以到達(dá)一個(gè)期望狀態(tài)。編程人員必須定義一定數(shù)量的步驟以達(dá)成一個(gè)設(shè)定目標(biāo)。C語(yǔ)言還添加了調(diào)用子程序或函數(shù)的功能，這支持代碼復(fù)用、模塊性和可維護(hù)性。

C代碼可以多種方式供使用，純文本或編譯后的二進(jìn)制文件。LabVIEW提供了多種將C代碼包含在LabVIEW應(yīng)用中的方式：

調(diào)用庫(kù)節(jié)點(diǎn)——節(jié)點(diǎn)可與一個(gè)C函數(shù)庫(kù)相連接，呈現(xiàn)其C接口以供與LabVIEW協(xié)同使用

與LabVIEW FPGA的C接口——開(kāi)發(fā)人員可以利用C在臺(tái)式機(jī)、PXI和NI CompactRIO系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)與LabVIEW FPGA的通信

聯(lián)機(jī)C節(jié)點(diǎn)——在ARM和Blackfin處理器等LabVIEW微處理器目標(biāo)平臺(tái)上，C代碼可以直接集成入LabVIEW，以便開(kāi)發(fā)人員可以采用已有的以C語(yǔ)言編寫的IP。

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圖6：通過(guò)聯(lián)機(jī)C節(jié)點(diǎn)將C代碼集成入LabVIEW

8. 案例研究——帶刷直流電機(jī)控制

MoC并不是互斥的，所以開(kāi)發(fā)人員可以將其組合以有效描述一個(gè)問(wèn)題或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)解決方案。例如，考慮下面的帶刷直流電機(jī)控制應(yīng)用，其中，一個(gè)PWM信號(hào)控制該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率。

圖7展示了該系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)。C代碼與ODE建模的組合描述了該直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，而數(shù)據(jù)流則表示了驅(qū)動(dòng)該P(yáng)WM電壓信號(hào)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行控制的邏輯。然后，它們被利用ODE再次組合，以驗(yàn)證控制性能并進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。

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圖7：組合多個(gè)MoC以表示帶刷直流電機(jī)控制