5.3. САПР виртуальных измерительных приборов LabVIEW

Среда разработки лабораторных виртуальных приборов LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, разработчик компания National Instruments) 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.

Особо следует отметить динамику развития LabVIEW. Первая его версия была создана в 1986 г. компанией National Instruments в результате поисков путей сокращения времени создания новых измерительных приборов. Версии LabVIEW со второй по седьмую появлялись в 1990, 1992, 1993, 1996, 2000 и 2003 гг. Каждая последующая версия существенно расширяла возможности предыдущей, прежде всего по обмену данных с измерительными приборами и работе с другими программными продуктами. Последняя версия программы (по состоянию на декабрь 2014 г.) – LabVIEW 2014. В последних версиях сделан акцент на интеграции современных информационных технологий, совершенствовании среды разработки для упрощения процесса разработки приложений, а также обеспечении доступа к обучающей экосистеме LabVIEW и готовым библиотекам.

Сфера применимости LabVIEW также непрерывно расширяется. В образовании она включает лабораторные практикумы по электротехнике, механике, физике. В фундаментальной науке LabVIEW используют такие передовые центры, как CERN (в Европе), Lawrence Livermore, Batelle, Sandia, Oak Ridge (США), в инженерной практике – объекты космические, воздушного, надводного и подводного флота, промышленные предприятия и т.д.

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 RS-232, RS-485, USB, GPIB (КОП), PXI, VXI, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой сложности.

Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором (англ. Virtual Instrument) и состоит из двух частей: блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора, и лицевой панели, описывающей внешний интерфейс виртуального прибора. Пример построения такого виртуального прибора показан на рис. 55. Виртуальные приборы могут использоваться в качестве составных частей для построения других виртуальных приборов.

Лицевая панель виртуального прибора содержит средства ввода-вывода: кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы, информационные табло и т.п. Они используются человеком для управления виртуальным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена данными.

Блочная диаграмма содержит функциональные узлы, являющиеся источниками, приемниками и средствами обработки данных. Также компонентами блочной диаграммы являются терминалы («задние контакты» объектов лицевой панели) и управляющие структуры (аналоги таких элементов текстовых языков программирования, как условный оператор «IF», операторы цикла «For» и «While» и т.п.). Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему линиями связей.

LabVIEW имеет собственную мощную математическую поддержку. Кроме того, может интегрировать
в себя программы, написанные в среде Matlab. Большое количество встроенных алгоритмов позволяет
осуществлять весьма сложную цифровую обработку сигналов, изображений и экспериментальных данных во временной, пространственной и спектральной областях. Программная среда LabVIEW постоянно пополняется новыми средствами обработки сигналов на основе вейвлет-анализа, алгоритмов нечеткой логики, сетевых технологий и т.д.

Окно приложения, разработанного в LabView

Роль программных сред, подобных LabVIEW, в научных исследованиях и технических экспериментах весьма велика. В настоящее время в науке наблюдается своего рода «ренессанс» эксперимента. Вызвано это развитием и совершенствованием измерительной техники и появлением нового поколения высокоточных и высокочувствительных измерительных приборов и автоматизированных измерительных систем, с помощью которых регистрируются тонкие эффекты 3-4-го порядка малости. Несмотря на свою «малость» эти эффекты часто играют ключевую роль в формировании основного явления, влияния на качество конечной продукции и т.д. Анализ подобных эффектов, как правило, оказывается вне досягаемости теоретических моделей. Поэтому в большинстве случаев эксперимент является единственным источником качественно новой и надежной информации. При этом результат достигается гораздо быстрее, чем методами «чистой» теории. Зачастую это выгодно и экономически, так как рядовой экспериментатор, вооруженный современным инструментарием, подобным LabVIEW, может достаточно быстро получить нужную информацию.

Традиционно в работе исследователя функции моделирования и экспериментирования разделены: моделирование осуществляется в среде математических программных пакетов, а эксперименты поддерживаются другими программными средствами, что отнюдь не повышает эффективность работы. Эффективность использования среды LabVIEW в научных исследованиях состоит в том, что, оставаясь в ее рамках, можно разрабатывать математическую модель объекта, а также снабжать ее экспериментальными данными с помощью аппаратных средств ввода-вывода, сопряженных с реальным объектом.