概覽

    本文將概括了在LabVIEW中可用的幾種計算模型，以及何時(shí)使用這些模型的指南。

    引言

　　在可執行代碼中實(shí)現一個(gè)算法的最有效方式是什么?當新的項目增加了工程設計的復雜度，而這一復雜度與最終實(shí)現所需的工程工作量之間的鴻溝擴大時(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“計算模型（MoC）”概念解答了這一問(wèn)題。我們將探究NI LabVIEW平臺所提供的一些不同MoC，以及開(kāi)發(fā)人員如何在不同的執行目標平臺（包括臺式機PC、實(shí)時(shí)系統、嵌入式微處理器和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）上使用這些模型。

    數據流

　　LabVIEW或許因數據流MoC最為著(zhù)稱(chēng)。對于數據流，一項操作要求開(kāi)發(fā)人員在其執行前在所有的輸入中插入數據。必須滿(mǎn)足這一條件以執行代碼。

圖1 數據流執行——在乘法操作前實(shí)現加法操作

　　數據流編程本質(zhì)上是直觀(guān)的，因為它與人類(lèi)的思維相仿。其他的優(yōu)勢還包括能夠方便地實(shí)現和并行化代碼。該數據流MoC是該LabVIEW平臺的基礎，它不需要使用任何額外的模塊或工具集。

    數學(xué)文本公式

　　在設計階段，描述一項算法的最佳工具經(jīng)常是高層次的數學(xué)函數。該數學(xué)模型的優(yōu)勢在于非常易于人們解讀，以及利用定義的復雜函數通過(guò)腳本來(lái)解釋執行的順序。

圖2 采用數學(xué)文本公式實(shí)現巴特沃思濾波器

　　開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)新推出的LabVIEW 2009數學(xué)腳本RT模塊（該模塊同時(shí)與Windows和實(shí)時(shí)目標平臺相兼容），在LabVIEW平臺內實(shí)現數學(xué)文本公式。

    ODE建模

　　開(kāi)發(fā)人員在需要表達一組耦合的微分方程與代數方程時(shí)，常常使用常微分方程（ODE）建模，也稱(chēng)為連續時(shí)間建模。為實(shí)現該MoC，開(kāi)發(fā)人員采用ODE解析算子數值求解微分方程?，F今，LabVIEW 2009控制設計與仿真模塊通過(guò)一種成為控制與仿真循環(huán)的結構增加了ODE技術(shù)。

圖3 通過(guò)ODE構建組塊表示的彈簧-質(zhì)量阻尼系統

　　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（如一個(gè)通信協(xié)議或控制系統）時(shí)尤為有用。狀態(tài)間的通信通過(guò)狀態(tài)轉移實(shí)現。這些狀態(tài)轉移具有控制每個(gè)狀態(tài)間執行的約束條件。

圖4。LabVIEW狀態(tài)圖開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　狀態(tài)與狀態(tài)轉移為開(kāi)發(fā)人員實(shí)現了抽象的底層細節，從而為他們提供了一個(gè)用于創(chuàng )建自述文件與可擴展設計的系統層次視角。利用該LabVIEW狀態(tài)圖模塊，開(kāi)發(fā)人員可以構建基于UML規范的狀態(tài)圖，以運行于臺式機、FPGA和嵌入式目標平臺之上。

    中斷驅動(dòng)式編程

　　在中斷驅動(dòng)式系統中，通過(guò)軟件設計，使得當接受到一個(gè)注冊事件（如一個(gè)定時(shí)器）時(shí)，激發(fā)一個(gè)響應以響應該事件。任意一個(gè)中斷式系統都具有兩個(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，它表明一事件已發(fā)生并應當中止當前正在執行的程序。中斷處理程序（也稱(chēng)為中斷服務(wù)程序）是指通過(guò)向處理器注冊以便在某個(gè)中斷發(fā)生時(shí)被執行的一部分代碼。一旦該處理器察覺(jué)一個(gè)中斷，它掛起當前正在執行的進(jìn)程，執行上下文切換以保存該系統的狀態(tài)，并執行中斷處理程序。一旦該中斷處理程序的代碼執行完成，該處理器將控制權交還先前在運行的程序。

　　在中斷驅動(dòng)式編程模式下，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現利用最少的處理器開(kāi)銷(xiāo)快速響應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)現基于其系統內所發(fā)生事件的響應和定時(shí)循環(huán)的執行。LabVIEW FPGA中斷可以通過(guò)響應該中斷的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)，響應定時(shí)器和數字輸入等中斷。

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

　　C 代碼

　　C語(yǔ)言是一種程序式編程語(yǔ)言，這意味著(zhù)一項程序必須采取一組步驟序列才可以到達一個(gè)期望狀態(tài)。編程人員必須定義一定數量的步驟以達成一個(gè)設定目標。C語(yǔ)言還添加了調用子程序或函數的功能，這支持代碼復用、模塊性和可維護性。

　　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應用中的方式：

　　調用庫節點(diǎn)——節點(diǎn)可與一個(gè)C函數庫相連接，呈現其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在臺式機、PXI和NI CompactRIO系統上實(shí)現與LabVIEW FPGA的通信

　　聯(lián)機C節點(diǎn)——在A(yíng)RM和Blackfin處理器等LabVIEW微處理器目標平臺上，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(xiě)的IP。

圖6　通過(guò)聯(lián)機C節點(diǎn)將C代碼集成入LabVIEW

    案例研究——帶刷直流電機控制

　　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)題或實(shí)現一個(gè)解決方案。例如，考慮下面的帶刷直流電機控制應用，其中，一個(gè)PWM信號控制該電機的旋轉速率。

　　圖7展示了該系統的最終實(shí)現。C代碼與ODE建模的組合描述了該直流電機的動(dòng)態(tài)特性，而數據流則表示了驅動(dòng)該PWM電壓信號對該電機進(jìn)行控制的邏輯。然后，它們被利用ODE再次組合，以驗證控制性能并進(jìn)行必要的調節。

圖7　組合多個(gè)MoC以表示帶刷直流電機控制