Программное обеспечение ZETLAB представляет собой виртуальную лабораторию, состоящую более чем из 50 приборов. Все приборы разделены на группы по назначению: анализ, измерение, отображение, генераторы и т.д. К различным устройствам АЦП/ЦАП поставляются различные пакеты программы, соответствующих их назначению и характеристикам.
Рис. 5. Виртуальная лаборатория ZETLAB
Также программы ZETLAB различаются по уровню сложности. Например, вольтметр имеет лишь три опции: переключатель времени усреднения, переход на представление результатов в дБ, переключатель измерения СКЗ или амплитудного значения. В то время как в генераторе реализовано 12 различных типов сигналов, начиная от синусоидальных и импульсных, и заканчивая кодами Баркера, каждый из которых имеет свои параметры.
Помимо базовых устройств, таких, как вольтметр, генератор и т.п., ZETLAB предоставляет мощные средства для обработки сигналов. Одна только программа ZETФормула реализует десятки математических и измерительных функций, содержит более 20 видов фильтров и позволяет работать как с исходными, так и с обработанными сигналами.
В ZETLAB данные могут анализироваться параллельно несколькими программами, кроме того, программы могут использовать результат измерений друг друга. Например, оцифрованный сигнал может быть сначала подвергнут фильтрации, после чего произведены вычисления, а конечный результат отображен на графике в двух- или трехмерном виде.
В программное обеспечение ZETLAB также входят решения, такие как измерение АЧХ с обратной связью, регулятор, обнаружитель событий, которые используют в своей работе результаты измерений одних программ (например, вольтметр, термометр), управляя при этом подключенными к ПК устройствами с помощью других программ (например, генератор, коммутационный блок).
Система LabVIEW позволило существенно упростить и сделать универсальным комплекс объект – система съема информации. Появилась возможность на основании датчика, аналого-цифрового преобразователя и соответствующих программных средств осуществлять функции множества измерительных приборов различного назначения, а также функции обработки результатов измерений. Запись больших массивов данных позволяет запоминать результаты эксперимента, что дает возможность проводить ретроспективный анализ, статистическую обработку и т.д. (рис. 6).
Рис. 6. Принцип построения виртуальных измерительных комплексов
LabVIEW - программа называется виртуальным прибором или ВП (VI - Virtual Instruments), т.к. внешний вид на экране и функциональность повторяет традиционный физический прибор, такой как осциллограф или мультиметр. LabVIEW содержит большой набор инструментов для сбора данных, обработки (анализа), отображения и архивирования. В LabVIEW встроены средства поиска и разбора ошибок, отладки кода. В LabVIEW инженер-исследователь создает интерфейс пользователя или лицевую панель ВП, используя многочисленные управляющие элементы и индикаторы. К управляющим элементам относятся лимбы, ручки регулировки, тумблеры, кнопки и т.д., к индикаторам - графики, лампочки и другие элементы отображения. После того как инженер-исследователь создал лицевую панель, он определяет функциональность ВП, помещая на блок-диаграмму код программы в виде других ВП и структур LabVIEW, для управления элементами лицевой панели. Таким образом, код программы в LabVIEW - это привычная для инженера блок-схема.
LabVIEW особенно удобно использовать для связи с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в персональный компьютер измерительными платами, платами захвата видеоизображения и управления движением, приборами, подключаемыми к персональному компьютеру через стандартные интерфейсы: GPIB (КОП), PСI, PXI, VXI, RS -232/485 и т.д. LabVIEW –содержит огромное количество библиотек для расширенного анализа сигналов.
Программирование в LabVIEW происходит графически, т.е. отсутствует привычное текстовое описание алгоритма на языке программ высокого уровня. Инженеру достаточно составить блок-схему алгоритма и внести ее в программу. Сейчас программа LabVIEW (8-я версия) стала фактически стандартом в области программных средств обработки сигналов и моделирования сложных устройств.
Сама программа LabVIEW является полностью открытой, т.е. позволяет получить доступ к любым компонентам внутри ее. Она позволяет встраивать ранее созданные программы на языках высокого уровня, работать с библиотеками DLL, является сервером/контейнером ActiveX. Кроме этого, она поддерживает все стандартные протоколы обмена данными между приложениями (DDE, OPC, ODBC / OLE DB / ADO и т.д.), имеет открытую сетевую архитектуру, поддерживает работу различных операционных систем (Windows, UNIX, Lunux, Mac, LabView Real Time).
Программа LabVIEW как средство прикладного программирования по своей логической структуре близка к конструкции языков высшего уровня. Однако при создании программ в ней используется язык графического программирования (язык G), похожий на объектно-ориентированные языки программирования, привычные для широкого круга пользователей.
Как универсальная система программирования, программа LabVIEW имеет обширные библиотеки для работы с периферийными внешними устройствами, средства обработки, анализа и представления данных.
Виртуальный прибор состоит формально из двух основных частей - лицевой панели, на которой расположен интерфейс оператора, и блока диаграммы, который содержит код программы в графическом виде. LabVIEW является компилятором и позволяет создавать исполняемые модули (файлы. ехе) и динамические библиотеки (файлы. dll).
Виртуальный инструмент можно использовать при анализе и верификации модели созданной, САПР функционального проектирования. Поэтому комбинирование САПР функционального моделирования и САПР виртуальных инструментов позволяет не только создать модель, но и детально исследовать ее поведение. На базе LabVIEW существуют система технического зрения и управления движением, системы автоматизации технологических процессов. Распределенные системы позволяют решать задачи, когда исследуемые объекты разнесены пространственно, а результаты измерений и обработки данных должны быть доступны большому количеству пользователей. LabVIEW оптимизирована для работы в сетях (Internet / Intranet).
На базе LabVIEW возможно даже построение средств дистанционного обучения. Можно превратить персональный компьютер в современную лабораторную станцию для работы с реальными сигналами, причём по стоимости такая модификация не превысит стоимости персонального компьютера среднего класса.
Система жесткого реального времени LabVIEW Real Time используется в системах сбора/обработки информации/управления, когда требуется жесткий детерминизм и когда обычные операционные системы, такие, как Windows, не могут быть использованы.
Инженеру, обладающему минимальными навыками в программировании и достаточными знаниями в своей области, начать работать в программе LabVIEW достаточно просто. Благодаря своей гибкости и масштабируемости, LabVIEW может использоваться на всех этапах процесса: от исследований и разработки до широкомасштабных производственных испытаний.
Недостатком среды LabView является ее явная ориентированность на родное аппаратное обеспечение «NationalInstruments », которая заключается в упрощённости процедур обращения к этому аппаратному обеспечению из среды программирования. Обращение к платам прочих производителей может состоять из длинных последовательностей совершенно нетривиальных для пользователя операций, что в конечном счете может осложнить применение LabView для отечественного аппаратного обеспечения.
Общие принципы построения программы в LabVIEW.
LabVIEW представляет собой полнофункциональную среду программирования. LabVIEW - это интегрированная среда разработки, которая использует графический язык программирования, язык G, уникальный с точки зрения метода создания и хранения программного кода. В нем нет текстового кода как такового, есть диаграмма, отображающая потоки данных внутри программы. LabVIEW является инструментом для исследователя, который часто пользуются способом визуализации задачи вместо построения программ на языках высокого уровня. Применяя утилиту кодовой связи (CodeLink) можно вставлять DLL -библиотеки, созданные в другой среде, например С или Pascal.
Базовая философия LabView состоит в том, что передача данных между элементами (функциями, узлами, значками, кубиками, кирпичиками или но-дами (Node) внутри программы определяет порядок их выполнения. Узлы LabVIEW, виртуальные инструменты имеют входы, обрабатывают данные, поступающие на их входы, и выдают результаты их обработки на выходы. Путем соединения входов и выходов, соответствующих VI, возможно расставить VI в том порядке, в котором необходимо обрабатывать данные.
Web -лаборатория на базе Lab VIEW. Создание современных научных лабораторий требует значительных финансовых затрат на приобретение технических средств, поддержание их в работоспособном состоянии, разработку методических материалов. Представляется более перспективным создание хорошо оснащённых центров коллективного пользования с возможностью удалённого доступа через глобальную информационную сеть. Известные примеры таких центров, называемых также Web -лабораториями, базируются, как правило, на программных симуляторах, реализованных на Java, или на технологии виртуальных инструментов LabVIEW (National Instruments), содержащих встроенный Web -сервер.
Основу серверного компонента Web -лаборатории составляет виртуальный лабораторный стенд, состав и функциональные возможности которого определяют во многом успех научного исследования.
Как правило, традиционная автоматизированная система экспериментальных исследований (АСНИ) комплектуется набором измерительных приборов и устройств связи с объектом исследования и персональным компьютером (рис. 7).
Рис. 7. Исследовательский стенд, укомплектованный
традиционными приборами
Замена традиционных измерительных приборов и устройств виртуальными может стать разумной альтернативой при корректном подборе системы, и даже может оказаться экономически выгодным. Технология виртуальных инструментов LabVIEW позволяет создавать на базе встраиваемых в персональный компьютер модулей ввода-вывода полнофункциональные измерительные приборы, технические характеристики которых определяются характеристиками используемых модулей, а возможности обработки результатов измерений, визуализации, регистрации зачастую превосходят возможности традиционных приборов. Схема лабораторного стенда при этом существенно упрощается (рис. 8).
Рис. 8. Виртуальный исследовательский стенд
Реализованная схема соединений обеспечивает возможность изучения простого ввода (вывода) данных через параллельные порты, обмена данными по прерыванию и измерения частотно-временных параметров, измерения аналоговых напряжений и др. Формирование тестовых сигналов и оценка результатов их отработки проектируемой системой осуществляются в реальном времени инструментами виртуального стенда.
Организация удалённого доступа к виртуальным приборам. Все контрольно-измерительные и управляющие устройства находятся «внутри» компьютера и их можно сделать доступными из любой точки земного шара, куда дотянулась «всемирная паутина». Т.е. появляется реальная возможность участвовать в сложных исследованиях, находясь далеко от научной лаборатории. LabVIEW предоставляет несколько способов организации удалённого доступа к виртуальным приборам. Для снижения требований к Интернет-трафику и обеспечения повышенной устойчивости связи может быть реализована следующая схема Web -лаборатории (рис. 9).
Рис. 9. Структурная схема Web-лаборатории
Сервер uCV-Lab спроектирован на языке графического программирования G в среде LabVIEW и представляет собой рассмотренный ранее виртуальный лабораторный стенд, программное обеспечение которого дополнено функциями поддержки протокола DSTP (Data Socket Transfer Protocol, сетевой протокол обмена динамически изменяющимися данными), а также простейшими функциями взаимодействия с объектом исследования. Данные публикуются в сети DataSocket сервером и принимаются подписчиками-клиентами. В сущности, Data Socket – это независимая от платформы технология проектирования сетевых приложений, не требующая использования элементов низкого уровня. Компактный и быстрый протокол DSTP используется только для обмена данными между серверным и клиентским приложениями. В состав серверного программного обеспечения входит также программа «Монитор», которая выполняет функции управления объектом исследования. Клиентское приложение выполнено как ActiveX -компонент, который при первом обращении к серверу загружается из стандартного браузера и регистрируется в операционной системе клиента, а в последующем запускается, не требуя времени для повторной загрузки.
Кроме собственно виртуального стенда, в распоряжении исследователя могут быть справочные и методические материалы, дистрибутивы программного обеспечения, в том числе и программные средства проектирования систем. Все вместе они и образуют Web -лабораторию.