lezione i: introduzione a labview e fondamenti del dataflow
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ACQUISIRE CON LABVIEW
Lezione I:Introduzione a LabView eFondamenti del DataFlow
Introduzione a LabView
LabView è una piattaforma specificatamente pensata per sviluppare sistemi di acquisizione, analisi e trattamento dati.
I programmi in LabView sono definiti“Virtual Instruments” o VI in quanto simulano il comportamento di strumenti fisici reali.
Introduzione a LabView
Ogni VI è composto da tre elementi: pannello frontale schema a blocchi icona dei connettori.
Ogni operazione viene svolta graficamente in modo da semplificare lo sviluppo e l’uso dell’applicazione.
Il Pannello Frontale
Il pannello frontale è l’INTERFACCIA che il VI presenta all’utente finale
Deve contenere tutti i controlli necessari per interagire con il VI.
Ogni dato da visualizzare all’utente deve essere riportato qui.
Il Pannello Frontale
tutti gli elementi del pannello frontale sono:
CONTROLLI, cioè oggetti a cui l’utente può fornire datioppure
INDICATORI, cioè oggetti da cui l’utente può ottenere dati
Lo Schema a Blocchi
Contiene le controparti di tutti gli elementi presenti nel pannello frontale.
Deve contenere i connettori e gli operatori necessari a definire come trattare il flusso di dati
Lo Schema a Blocchi
Oltre ai CONTROLLI ed agli INDICATORI sullo schema a blocchi troviamo anche:
COSTANTI, cioè fonti di dati non definibili dall’utente
OPERATORI, in grado di svolgere operazioni sulle linee di dati
operatorecostante
operatorecostante
Icona dei Connettori
Ogni VI può essere a sua volta incluso in un altro VI come un subVI.
Ogni operatore dello schema a blocchi è in realtà un subVI
L’icona dei connettori definisce input ed output di ogni subVI
Un subVI espone la sua icona dei connettori al posto del pannello frontale
Esercitazione 001
Hands on Lab: Uso del pannello controlli e del pannello tools Suddivisione in tipi di dato Distinzione controlli/indicatori
Riprodurre il pannello frontale mostrato di seguito preoccupandosi per ora unicamente dell’aspetto grafico
Verificare di aver creato 7 controlli e 3 indicatori
NB:-la barra verticale, “slide” è un controllo-tralasciare lo sfondo azzurro: è solo indicativo-i nomi di indicatori e controlli son solo esemplificativi
Esercitazione 001
Lavorare in DataFlow
Il DataFlow specifica il PERCORSO che i dati devono compiere ma NON L’ORDINE con cui le singole operazioni vanno eseguite
In LabView i dati sono rappresentati da delle linee che connettono la loro sorgente ad operatori ed indicatori.
Ogni tipo di dato è rappresentato da un diverso colore, utilizzato sia per le linee che per i connettori dei subVI
Una linea di spessore marcato indica un array od una matrice, mentre una linea sottile indica un valore scalare
Tipi di Dati
LabView è basato sulla gestione del flusso di dati, quindi il loro tipo è fondamentale
LabView gestisce un gran numero di tipi di dati diversi, suddivisi per categorie
Dati di categorie diverse non possono interagire direttamente
Tipi di dati diversi ma della stessa categoria possono interagire direttamente
Tipi di Dati
Numerici (Interi, Decimali, Virgola Mobile, Date)
Booleani Stringhe (Stringhe e Percorsi)
Aggregati (Array, Matrici e Cluster) Forme d’Onda Dati Dinamici (Segnali ed Errori) Enumeratori
Modalità Debug
È utile per visualizzare il flusso di dati nel diagramma a blocchi
Rallenta l’esecuzione del VI e quindi non va usato se non necessario
Permette di inserire delle sonde (probe) per visualizzare il valore del dato in un determinato punto del flusso
Esercitazione 002
Hands on Lab: Simmetria tra front panel e block diagram Distinzione tipi di dato e flussi Convenzione di verso per il flusso Help contestuale
Convertire in indicatore il controllo slide Aggiungere dal block diagram due indicatori di
tipo boolean Sfruttando la palette NUMERIC sommare al
controllo ampiezza un numero casuale tra 0 e 1 Dividere il valore della fase per 180 e
moltiplicarlo per π Collegare ad ogni INDICATORE presente un
controllo del tipo corrispondente Eseguire in modalità debug, in run ed in run
continously
Strutture Fondamentali
Le strutture principali sono le medesime dei linguaggi di programmazione usuali:WHILE, FOR e CASE
I dati entrano ed escono dalle strutture tramite TUNNEL letti solo all’avvio (ingresso) od alla fine (uscita) della struttura
Ogni VI che interagisca con un utente richiede un ciclo WHILE principale che racchiuda ogni altro elemento e si interrompa tramite un controllo STOP per consentire all’utente di interagire
Strutture Fondamentali
Sia i cicli iterativi (for, while) che i blocchi alternativi (case, conditional) possono essere visti come porzioni autonome di block diagram, in cui i dati viaggiano grazie ad ingressi ed uscite chiamati TUNNEL
È bene mantenere la convenzione di flusso:ingressi a sinistra ed uscite a destra, in modo da leggere il flusso di dati da sinistra a destra
Ciclo WHILE
Quello che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto finchè la condizione di stop (dato booleano) è FALSE
Ogni VI che interagisce con l’utente deve prevedere un ciclo WHILE generale con una condizione di STOP collegata ad un pulsante e contenere un operatore WAIT per evitare di saturare il processore
Esercitazione 003
Hands on Lab: Ciclo WHILE generale con interruttore e WAIT Uso dell’operatore SELECT Mechanical action
Riprendere l’esercitazione 002 Racchiudere l’intero front panel in un blocco WHILE
con un operatore WAIT ms multiple a 500 ms che si interrompa alla pressione di STOP
Sfruttando l’operatore di confronto SELECT fare in modo che la fase venga visualizzata in gradi se l’interruttore è off, in radianti se on
Impostare la mechanical action di START su LATCH e quella dell’interruttore su SWITCH, quindi provare ad invertirle
Ciclo FOR
Quel che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto N volte: l’indice i va da 0 a N-1
Se un tunnel in ingresso trasporta un dato di tipo ARRAY all’interno del ciclo automaticamente avremo l’elemento i-esimo dell’array (indexing), viceversa in uscita possiamo scegliere di creare un array partendo dalla successione di dati
Esercitazione 004
Hands on Lab: FOR con contatore Debug e sonde
Creare un nuovo VI in cui riprodurre il block diagram riportato nella slide precedente
Per ora disattivare la funzione di autoindexing (verrà illustrata in seguito)
Eseguire il VI in modalità debug
Struttura CASE
Esegue solo ciò che è all’interno del riquadro corrispondente al dato cui è collegata la sua condizione.Il menu delle opzioni
disponibili si adatta automaticamente al tipo di dato collegato alla condizione.
Esercitazione 005
Hands on Lab: Differenze tra CHART e GRAPH Struttura While, Case e For
Creare un blocco while di interazione con l’utente (500ms)
Creare un interruttore (switch) GENERATE RANDOM NUMBERS
Creare sia un indicatore CHART che GRAPH Creare un controllo numerico MAX con valori tra 0 e
1000
Sfruttando opportunamente un blocco CASE ed un blocco FOR fare in modo che su entrambi gli indicatori (Chart e Graph) vengano visualizzati 100 numeri casuali compresi tra 0 e MAX, a che la generazione dei numeri avvenga solamente in caso di pressione dell’interruttore GENERATE RANDOM NUMBERS
Esercitazione 005
TODO: Prendere confidenza con i controlli del pannello frontale
Capire la distinzione tra booleani LATCH e SWITCH
Capire la distinzione tra Graph e Chart
Iniziare a tracciare i valori tramite sonde e ricorrendo alla modalità debug
Rappresentazione e formato dati
Tunnel incompleti e completi Creazione automatica di
costanti, indicatori e controlli
ACQUISIRE CON LABVIEW
Lezione II:Array e ClusterShift RegisterForme d’Onda
Riepilogo delle strutture
Finora abbiamo visto le tre strutture di controllo base: WHILE, CASE e FOR
Queste strutture possono svolgere funzioni complesse e molto utili, in modo da semplificare il lavoro quando si tratta di dati strutturati
Ciclo WHILE
Quello che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto finchè la condizione di stop (dato booleano) è FALSE
Ogni VI che interagisce con l’utente deve prevedere un ciclo WHILE generale con una condizione di STOP collegata ad un pulsante e contenere un operatore WAIT per evitare di saturare il processore
Struttura CASE
Esegue solo ciò che è all’interno del riquadro corrispondente al dato cui è collegata la sua condizione.
Il menu delle opzioni disponibili si adatta automaticamente al tipo di dato collegato alla condizione.
Ciclo FOR
Quel che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto N volte: l’indice i va da 0 a N-1
Se un tunnel in ingresso trasporta un dato di tipo ARRAY all’interno del ciclo automaticamente avremo l’elemento i-esimo dell’array (indexing)
Shift Register
Spesso è utile passare dei dati tra un’iterazione e la successiva all’interno di un ciclo: per farlo faccio ricorso ad uno SHIFT REGISTER
A differenza di un tunnel lo shift register viene scritto e letto ad ogni iterazione
È molto comodo per creare cumulate o sequenze di dati in congiunzione con l’operatore BUILD ARRAY
Esercitazione 006
Hands on Lab: Shift register come memoria
Riprendere l’esercitazione 005 Sfruttando uno shift register visualizzare in
un nuovo controllo la differenza tra il valore di MAX attuale e quello precedente
Calcolare e visualizzare min, max, media e deviazione standard dell’ultimo set di campioni generati alla pressione di un pulsante boolean CALCOLA (ma NON durante la generazione)
Array e Matrici Gli ARRAY sono strutture ordinate in una o due
dimensioni contenenti un unico tipo di dato: se numerici possiamo vederli come vettori (monodimensionali) o come matrici (bidimensionali)
Per creare un array partendo dai valori elementari esiste BUILD ARRAY, per l’inverso si sfrutta INDEX ARRAY
In LabView gli array sono dinamici, quindi non hanno un numero fisso di elementi, ma possono essere ampliati con l’aggiunta di altri elementi tramite la funzione BUILD ARRAY
Gli array possono contenere qualsiasi tipo di dato gestito da LabView, persino altri array, ma, a differenza dei cluster, non possono contenere elementi di tipi diversi
Tutti gli array in LabView partono dall’elemento di indice 0
Esercitazione 007
Hands on Lab:
autoindexing
Riprendere l’esercitazione 006 Sfruttando un build array ed uno shift
register visualizzare min, max, media e deviazione standard anche di TUTTI I SET di dati generati dall’avvio del vi.
Cluster
I CLUSTER sono aggregati, non necessariamente omogenei, di dati diversi.
Per creare un cluster partendo dai dati elementari sfruttiamo l’operatore BUNDLE, per ottenere i dati elementari dal cluster si ricorre a UNBUNDLE
Un cluster può anche definire delle etichette per i dati, ad esempio il tipo di dato ERRORE è un cluster contenente un booleano “STATUS” ed un intero “ERROR CODE”): sfruttiamo le funzioni “BY NAME”
Un array può essere sempre convertito in cluster, ma non sempre è possibile l’inverso
Esercitazione 008
Hands on Lab:
Cluster ed operazioni su cluster
Riprendere l’esercitazione 007
Alleggerire il ricorso alla memoria memorizzando e visualizzando le informazioni di max,min, media e dev.st solo sotto forma di cluster(per facilitare il calcolo aggiungere al cluster anche l’informazione del numero di campioni da cui i dati derivano)
Mantenere in memoria solo i dati dell’ultima generazione di dati
Visualizzare sia l’ultimo set di dati che lo storico temporale
[eliminare il pulsante calcola e fare in modo che si avvii automaticamente al termine della generazione di numeri]
WaveForms & Signals
Oltre ai dati classici già presentati esistono alcuni tipi di dati particolari dedicati a generare, rappresentare ed analizzare forme d’onda
Un tipo di dato fondamentale è il waveform, per il quale esistono una serie di VI ed operatori già definiti
Molti indicatori od operatori sono POLIMORFICI e si adattano al tipo di dato che viene collegato, waveform e signals compresi
Questi tipi di dati sfruttano un set di VI autonomi per lettura e scrittura su file
Esercitazione 009
Hands on Lab:
Riprendere l’esercitazione 008
Sfruttando gli operatori per la costruzione di waveform aggiungere ai dati generati casualmente l’informazione della frequenza di campionamento impostabile tramite un controllore numerico letto in avvio.
[Impostare come istante di inizio della waveform l’ora attuale tramite gli operatori TIME/DATE]
Esercitazione 010
Hands on Lab:
Mantenere il block diagram ordinato! Riprendere l’esercitazione 009
Sostituire all’operatore di costruzione delle waveform un operatore specifico di generazione di waveform a rumore bianco
Sommare alla waveform a rumore bianco una sinusoidale generata secondo gli stessi parametri, di cui siano impostabili frequenza e ampiezza
[Fare in modo che siano sommabili N sinusoidi]
LabView EXPRESS
I componenti express consentono di sviluppare rapidamente applicazioni di analisi ed interpretazione misure
Sono VI polimorfici con un apposito wizard di configurazione
Spesso richiedono di riavviare il VI per poter funzionare correttamente (son progettati per un VI “monouso”)
Esercitazione 011
Hands on Lab:
Componenti express Riprendere l’esercitazion 010
Sfruttando un operatore EXPRESS visualizzare su di un grafico a parte la componente in ampiezza della FFT del segnale generato
[Fare in modo che l’FFT visualizzata sia il risultato di una media di N generazioni]
[In caso di errore visualizzarlo all’utente ed interrompere l’esecuzione del programma]
Leggere Dati da File
I più comuni sono i file SPREADSHEET, file ASCII che rappresentano numeri a virgola mobile separati in righe e colonne da tabulatori od altro, ad esempio i CSV, separati da “;” e facilmente leggibili in EXCEL
Un’alternativa sono FILE DI TESTO, file ASCII che riportano solo array di stringhe (una per riga), ma che richiedono una conversione tramite parsing
I FILE BINARI scritti da LabView sono di lettura immediata e riproducono esattamente i valori salvati senza bisogno di alcuna conversione.
I DATALOG possono essere letti direttamente senza conversione, prestando però attenzione alla sequenzialità con cui sono stati salvati in origine
Esistono vari tipi di file che LabView può leggere, sia nativamente che interpretando stringhe formattate
Salvare Dati su File
I più comuni sono i file SPREADSHEET, file ASCII che rappresentano numeri a virgola mobile separati in righe e colonne da tabulatori od altro
Un’alternativa sono FILE DI TESTO, file ASCII che riportano solo array di stringhe (una per riga)
I FILE BINARI rappresentano qualsiasi tipo di dato, ma sono leggibili solo da LabView
I DATALOG sono file binari ad accesso rapido, utili per tracciare l’andamento di valori nel corso dell’esecuzione del programma
Esistono vari tipi di file che LabView può scrivere, da utilizzare a seconda del dato che si vuole salvare
Componenti EXPRESS
Esistono anche funzioni ExpressVI per la lettura e la scrittura di forme d’onda e di vari dati dinamici
Questi file sono chiamati MEASUREMENT FILES e possono essere sia binari che testuali
L’uso di questi ExpressVI permette di configurare rapidamente un gran numero di opzioni di salvataggio
Esercitazione 012
Hands on Lab:
OBIETTIVO:Permettere di salvare dei dati storici edil loro spettro calcolato tramite la FFT
Creare e visualizzare una coppia di sinusoidi di ampiezza casuale (0,1) e frequenze determinate dall’utente tramite controlli.
Calcolare e visualizzare lo spettro di entrambe le waveform tramite il vi FFT
Sfruttare il componente express WRITE MEAS. FILE Alla pressione di un tasto SALVA TIME HISTORY il VI deve chiedere
all’utente il nome del file da scrivere e salvare i segnali già acquisiti in formato TESTO-è preferibile salvare aggiungendo (manualmente) l’estensione CSV-per comodità mantenere uno shift register con i segnali acquisiti-aggiungere una sola colonna di tempo per tutti i segnali-se il file già esiste salva con un nuovo nome
Alla pressione di SALVA FFT deve fare lo stesso ma salvare lo spettro
SALVARE UN PAIO DI GENERAZIONI ED UN PAIO DI SPETTRI
Esercitazione 013
Hands on Lab: Creare un nuovo VI autonomo,
con il solito ciclo while generale, un pulsante di stop, un pulsante “LEGGI”,un pulsante “ACCODA” ed un wait a 50ms
OBIETTIVO:Creare un vi che legga e visualizzi in un grafico i segnali contenuti in un file di testo precedentemente salvato (i file di misura si trovano sul sito archimedes nel materiale del corso)
Sfruttare il componente express READ MEAS. FILE Alla pressione di LEGGI il VI deve chiedere all’utente il nome del file
da leggere e visualizzare sul grafico i segnali contenuti nel file Alla pressione di ACCODA leggere i segnali contenuti in un file
(chiedere all’utente il nome) ed accodarli ad uno shift array dei segnali già letti, in modo da visualizzare sia il nuovo file che i precedenti sullo stesso grafico
LEGGERE 3 FILE TRA GLI ESEMPI ED I 2 DELL’ES. PRECEDENTE
subVI
La programmazione in LabView, essendo prettamente grafica, richiede più che in altri ambiti modularità e possibilità di riutilizzo
L’obiettivo nello sviluppare un VI è quello di realizzare un block diagram autoesplicativo
Per ottenere tutto ciò si fa ricorso ai subVI, ovvero alla possibilità di ogni VI di essere richiamato all’interno di un altro VI
Icona dei Connettori
Ogni VI può essere a sua volta incluso in un altro VI come un subVI.
Ogni operatore dello schema a blocchi è in realtà un subVI
L’icona dei connettori definisce input ed output di ogni subVI
Un subVI espone la sua icona dei connettori al posto del pannello frontale
Icona dei Connettori
Anche per la definizione di input ed output si procede per via grafica
L’icona dei connettori, in modalità show connectors, permette di associare ogni elemento del front panel ad un terminale del VI
Ogni terminale può essere consigliato (default), obbligatorio od opzionale
È importante mantenere la convenzione che vuole gli input a sinistra e gli output a destra
Modalità di Esecuzione
Grazie alla finestra VI properties possiamo definire varie proprietà di esecuzione del subVI, la principale rimane però la modalità di esecuzione
L’esecuzione è detta reentrant se possono esistere più istanze del medesimo subVI in esecuzione in contemporanea
L’esecuzione è invece non-reentrant se esiste una sola istanza del subVI cui accedono successivamente i vari VI che lo richiamano
In entrambi i casi un unica istanza del subVI viene collegata ad ogni VI che l’ha richiamata, rendendo quindi possibili operazioni iterative in successione (ad esempio un inizializzazione di una risorsa solo alla prima chiamata od un contatore interno)
Esercitazione 014
Hands on Lab: CREARE UN NUOVO VI
SENZA INTERAZIONE CON L’UTENTE RIPRENDERE L’ESERCITAZIONE 013
OBIETTIVO:Creare un nuovo operatore subVI in grado di calcolare la media, la varianza, il massimo ed il minimo di un segnale dato un segnale ed i valori storici di acquisizioni precedenti (vedi esercitazione 008
Collegare all’icona dei connettori i controlli double ed il grafico-rispettare le convenzioni input=sinistra output=destra!!-cambiare l’icona in modo che sia significativa
Alterare le proprietà del vi in modo che non si apra quando viene chiamato(vi properties->execution->open when called)
Impostare i valori di default dei vari controlli non obbligatori(data operation->make current value default)
NEL VI DELL’ESERCITAZIONE 018 aggiungere (sfruttando il nuovo operatore) anche un canale che mostri il valore del modulo del vettore accelerazione sullo stesso grafico, nonché il valore RMS su un indicatore di tipo GAUGE
Errori RunTime
Gli errori si distinguono a seconda dell’utilizzatore che li genera:
se avvengono mentre stiamo progettando il VI sono errori di DESIGN TIME e impediscono l’avvio del VI stesso
se avvengono quando il VI è in esecuzione sono errori di RUNTIME e non sono prevedibili a priori
Ogni subVI in grado di generare errori deve prevedere un errore in input ed uno in output
Il Flusso degli Errori
Ogni VI che può generare un errore RunTime dispone di due connettori, chiamati error in (no error) ed error out
Il tipo di dati che gestiscono questi terminali è un cluster particolare, composto da status, codice e messaggio
Alcuni controlli, come il blocco case, sono in grado di adattarsi al tipo di dato errore grazie al polimorfismo
Il Flusso degli Errori
un VI che trovi un error in diverso da no error non viene eseguito, ma passa l’errore al terminale error out direttamente
un VI che riscontri un errore RunTime scrive sul suo terminale error out l’errore riscontrato, se nulla è collegato ad error out, compare una finestra di errore standard all’utente
Sequenze di esecuzione
Lavorando in dataflow non si possono controllare le sequenze di operazioni ma solo il flusso di dati
Flussi paralleli avvengono secondo le disponibilità del processore e dell’hardware e non possiamo quindi definirne la sequenza
Nel caso delle operazioni debbano necessariamente essere eseguite in successione possiamo ricorrere al FLUSSO DEGLI ERRORI per imporre una sequenza specifica
Oltre agli errori anche altri tipi di dato contenenti risorse (task, handle, file) sfruttano una catena di connettori IN/OUT utili per creare sequenze
Esercitazione 015
Hands on Lab: RIPRENDE LE ESERCITAZIONI 012 E 013
OBIETTIVO:Poter visualizzare sulla finestra principale del sistema di acquisizione composizioni di file letti sfruttando il vi già creato
Creare un flusso degli errori corretto per l’esercitazione 017 e 018(inserire in fondo al vi 017 un visualizzatore di un eventuale errore con general error handler, e terminare il vi se l’errore è stato generato)
Inserire nell’icona dei connettori dell’esercitazione 018 i terminali per ERROR IN, ERROR OUT e SEGNALI LETTI
Inserire nel vi dell’es. 017 un pulsante LEGGI alla cui pressione la catena degli errori venga passata al vi 018 (usare SELECT A VI…)
Sfruttando il terminale SEGNALI LETTI del vi 018 passare i segnali letti al grafico principale ed all’FFT
LEGGERE 3 FILE TRA GLI ESEMPI PRECEDENTEMENTE SALVATI
Esercitazione 016
Hands on Lab: ESERCITAZIONE CONCLUSIVA
OBIETTIVO:Creare un sistema di acquisizione completo in grado di: Simulare* l’acquisizione di dati sia in modalità continua che
discontinua Salvare i dati delle time histories su file Leggere i dati da file Calcolare FFT da dati salvati o acquisiti Salvare le FFT calcolate su file di testo
Prendere spunto dalle esercitazioni precedenti Ricorrere il meno possibile agli operatori express Sfruttare in maniera intensiva subVI e cluster *considerare che verrà poi sostituito con
un’acquisizione reale