Đồ án Khai thác và từng bước làm chủ ngôn ngữ lập trình đồ hoạ Lab VIEW

VNArmy 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, khoa học kỹ thuật rất là phát triển. Các công cụ hỗ trợ người làm khoa học rất nhiều đặc biệt là công cụ máy tính. Việc sử dụng công cụ máy tính số sẽ giảm thiểu được những công việc nặng nhọc không cần thiết đối với người kỹ sư đồng thời công cụ máy tính số cũng giảm thiểu những sai số của tín hiệu. Đồng thời công cụ máy tính số cũng giúp cho người sử dụng có thể thuận tiện trong việc quan sát tín hiệu của các thiết bị. Hiện nay, để ghép nối máy tính với thiết bị bên ngoài có thể dùng rất nhiều chuẩn quốc tế như GPIB, VXI. Tuy nhiên các chuẩn đó mặc dù rất mạnh nhưng lại có nhược điểm là giá thành rất lớn. Chuẩn ghép nối RS 232 là một chuẩn ghép nối tuy không hiện đại nhưng lại có giá thành rẻ. Hơn nữa nó là một chuẩn dễ sử dụng và có sẵn trong thực tế. Hầu như thiết bị nào cũng được hỗ trợ chuẩn RS 232. Ngôn ngữ lập trình LabVIEW là một ngôn ngữ hỗ trợ mạnh trong lĩnh vực thu thập và xử lý tín hiệu. Thông qua ngôn ngữ lập trình LabVIEW người làm việc có thể tránh được những công việc không cần thiết như tổ chức hệ thống. Qua đó người dùng có thể nâng cao được hiệu quả công việc. Được sự động viên hướng dẫn của các thầy giáo trong khoa kỹ thuật điều khiển và đặc biệt là sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo-tiến sỹ khoa học Nguyễn Công Định chúng em mạnh dạn nhận đề tài này với mong muốn góp một phần công sức nhỏ bé của mình vào việc khai thác và từng bước làm chủ ngôn ngữ lập trình đồ hoạ LabVIEW trong lĩnh vực đo lường-điều khiển. Đề tài giải quyết các vấn đề sau: - Chương 1: Kỹ thuật lập trình trên LabVIEW. - Chương 2: Thiết bị đo thông minh HP 34970A. - Chương 3: Xây dựng các bài thí nghiệm trên bệ thí nghiệm máy điện. Do hạn chế về thời gian và khả năng nên đề tài còn nhiều vấn đề cần bổ xung. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy giáo và các bạn học viên để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn. Các tác giả. VNArmy 2 Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW §1.1. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH CƠ BẢN TRÊN LABVIEW. I. LabVIEW là gì? LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là một môi trường phát triển chương trình, rất giống môi trường phát triển của C hay Basic và National Instrument Lab Windows/CVI. LabVIEW khác với các ứng dụng đó ở một điểm rất quan trọng. Hệ thống lập trình khác sử dụng ngôn ngữ text-based để tạo các dòng mã lệnh, trong khi LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ hoạ,G, để tạo các chương trình dưới dạng sơ đồ khối. II. Thế mạnh của LabVIEW. LabVIEW, giống như C hay Basic, là một hệ thống lập trình đa dụng với các thư viện lớn chứa các hàm cho bất kỳ nhiệm vụ lập trình nào. LabVIEW cũng chứa các công cụ phát triển chương trình thông thường nên bạn có thể đặt điểm gãy (break point), làm sống động quá trình thực hiện (highlight excution) để xem dữ liệu truyền trong chương trình như thế nào và thực hiện từng bước chương trình để tiến hành gỡ rối và phát triển chương trình dễ dàng hơn. LabVIEW cung cấp khả năng xây dựng những chương trình cho các hệ thống khoa học và kĩ thuật. LabVIEW cung cấp cho bạn một ngôn ngữ lập trình linh hoạt và có tính khả thi. LabVIEW cung cấp cách nhanh hơn để lập trình với các thiết bị và các hệ thống thu thập dữ liệu. Với việc dùng LabVIEW, bạn có giảm bớt thời gian phát triển hệ thống và tăng hiệu suất làm việc. LabVIEW cung cấp những công cụ mạnh cho việc ghép nối với các các thiết bị vật lý bên ngoài mà không phải qua phần thiết kế hệ thống một cách phức tạp như trong các ngôn ngữ khác. LabVIEW là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ nên rất trực quan và dễ sử dụng. LabVIEW chứa các thư viện cho việc thu nhận dữ liệu, điều khiển thiết bị GPIB và Serial, phân tích dữ liệu, biểu diễn dữ liệu và cất giữ dữ liệu. Với một thư viện phong phú cho các hệ thống điều khiển, LabVIEW có thể ứng dụng mạnh trong việc lập trình điều khiển hệ thống. III. Các thành phần của LabVIEW. LabVIEW là một hệ thống lập trình đa dụng nhưng nó còn chứa các thư viện của các hàm và các công cụ phát triển được thiết kế đặc biệt cho việc thu nhận dữ liệu vầ điều khiển thiết bị. Chương trình LabVIEW được gọi là các thiết bị ảo (Virtual Instrument-VI) bởi vì sự hiển thị và vận hành có thể làm giả các thiết bị thực. Tuy nhiên, các VI tương tự như các hàm của các ngôn ngữ lập trình thông thường. Một VI bao gồm một giao diện với người sử dụng, một đồ hình truyền dữ liệu mà phục vụ như là mã nguồn và biểu tượng kết nối ( icon conection) để cho phép có thể gọi được từ các VI cấp cao. Chi tiết hơn các VI có cấu trúc như sau: VNArmy 3 • Giao diện với người dùng của một VI được gọi là Front Panel bởi vì nó mô phỏng panel của một thiết bị vật lý. Front Panel có thể bao gồm các nút bấm, nút xoay, đồ thị và các bộ điều khiển (control) và chỉ thị (Indicator) • VI nhận các lệnh từ Block Diagram mà bạn tạo nên từ ngôn ngữ G. Block Diagram là sự giải quyết bằng hình ảnh cho một vấn đề lập trình. Block Diagram cũng là mã nguồn cho VI của ban. • VI có tính phân cấp và modul. Bạn có thể dùng chúng như là những VI cấp cao hay như những chương trình con cùng với những chương trình khác. Một VI được gắn với một VI khác được gọi là subVI. Icon và conector của một VI làm việc như một danh sách các tham số đồ hoạ để các VI khác có thể gửi dữ liệu đến subVI. Với những đặc điểm trên, LabVIEW khuyến khích và gắn với khái niệm lập trình modul. Bạn chia một ứng dụng thành một loạt các nhiệm vụ con đơn giản. Xây dựng VI để hoàn thành mỗi nhiệm vụ con và sau đó tổ hợp những VI đó trên Block Diagram khác để hoàn thành nhiệm vụ lớn. Cuối cùng, VI mức cao nhất bao gồm một sự tập hợp lại các subVI mà biểu diễn hàm ứng dụng. Vì bạn có thể thực hiện mỗi subVI bởi chính nó, riêng rẽ với phần còn lại của ứng dụng, nên việc gỡ rối có thể trở nên dễ dàng hơn. Hơn nữa, nhiều subVI cấp thấp thường thực thi những nhiệm vụ mà chung cho nhiều ứng dụng nên bạn có thể phát triển một tập đặc biệt của các subVI cho ứng dụng mà bạn xây dựng. Phần sau đây sẽ giải thích rõ hơn về Front Panel, Block Diagram, icon, conector và các đặc điểm liên quan khác. 1. Front Panel Hình 1-1 minh hoạ một Front Panel trong LabVIEW. Giao diện sử dụng của một subVI thường giống giao diện sử dụng của các thiết bị vật lí. Nó được gọi là Front Panel. Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các control và indicator. Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ liệu cho Block Diagram. Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Diagram của VI. Có thể đặt các control hay indicator lên Front Panel thông qua bảng động Control. Hình 1-1. Front Panel. VNArmy 4 2. Block Diagram. Bạn có thể chuyển từ Front Panel sang Block Diagram bằng cách chọn Windows>>Show diagram từ bảng thực đơn. Cửa sổ Diagram nắm giữ Block Diagram của VI là mã nguồn đồ hoạ cho VI. Xây dựng Block Diagram bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền. Phần Diagram thể hiện những đối tượng chính của chương trình - các node, các terminal, các dây nối. Hình 1-2 minh hoạ một Block Diagram. • Terminal Các terminal là các vùng trên một VI hay các hàm mà dữ liệu gửi qua đó. Terminal tương tự như các tham số trong ngôn ngữ lập trình text_based. Khi bạn đặt một control hay indicator lên Front Panel, một terminal tương ứng sẽ tạo trên Block Diagram. Bạn không thể xoá một terminal mà thuộc một control hay indicator. Terminal chỉ biến mất khi bạn xoá control hay indicator của nó trên Panel. Các terminal mà tạo ra dữ liệu được tham chiếu như các terminal nguồn dữ liệu và các terminal mà nhận dữ liệu là các terminal đích dữ liệu. • Node (Nút). Node là các phần tử thực hiện chương trình. Chúng tương tự như các câu lệnh, các toán tử, các hàm và các thủ tục trong các ngôn ngữ thông thường. G có một thư viện lớn của các hàm toán học so sánh, chuyển đổi, vào ra v.v... Có sáu kiểu node chính là hàm, subVI, cấu trúc, Code Interface Node (CIN) , node công thức và Attibute Node. • Wire ( Dây nối). Wire là đường dẫn dữ liệu giữa các terminal nguồn và terminal đích. Bạn không thể nối một terminal nguồn với một terminal nguồn cũng như không được nối một terminal đích với một terminal đích khác. Tuy nhiên một terminal nguồn có thể nối với một vài terminal đích. Mỗi đường dẫn có một kiểu và màu riêng, phụ thuộc vào giá trị mà truyền qua dây nối. • Data flow ( Luồng dữ liệu). Data flow là nguyên lý mà điều khiển sự thực hiện chương trình của G. Một node thực hiện khi tất cả các đầu vào dữ liệu đã đến; node đó lại cung cấp dữ liệu tất cả các đàu ra của nó khi nó kết thúc việc thực hiện; dữ liệu Hình 1-2. Block Diagram. VNArmy 5 được gửi ngay lập tức từ nguồn tới đích. Data flow trái ngược với phương thức truyền trong các ngôn ngữ truyền thống. Trong các ngôn ngữ đó, các lẹnh được thực hiện tuần tự theo thứ tự mà chúng được viết 3. Icon và connector. Khi một icon của một VI được dặt lên diagram của một VI khác, nó trở thành một subVI. Các control và indicator của một subVI nhận dữ liệu và trả lại dữ liệu cho diagram của VI gọi. Connector là một tập hợp các terminal mà tương ứng với các control và indicator của subVI. Icon hoặc là biểu diễn bằng hình ảnh mục đích của VI hoặc là sự mô tả văn bản của VI hay các terminal của nó. Mỗi VI đều có một icon mặc định ở góc phải phía trên cửa sổ Front Panel và Block Diagram. Hình sau minh hoạ một icon mặc định. Tất cả các VI đều có connector mà có thể được truy nhập vào bằng cách chọn Show connector từ menu pop-up ở ô icon trên Front Panel. Khi bạn gọi connector lần đầu tiên, bạn sẽ thấy một mẫu connector. Bạn có thể chọn mẫu connector khác nếu bạn muốn. Thông thường thì connector có một terminal cho mỗi control và indicator trên Front Panel nhưng bạn có thể gán lên đến 28 terminal. 4. Các bảng động trong LabVIEW. * Bảng Control. Bảng Control là bảng động chỉ có đối với Front Panel. Để đặt các control và indicator lên Front Panel có thể dùng bảng Control. Nếu bảng không hiện có thể chọn Windows>>Show Control palette hoặc là kích chuột phải lên một vùng trống trên Front Panel. Hình 1-4 minh hoạ bảng động Control. Bảng Control gồm các control và indicator sau: - Kiểu số học (hình 1-5) bao gồm các control và indicator kiểu số, kiểu slide, kiểu rotate, kiểu ring … Hình 1-3 Icon mặc định. Hình 1-4. Bảng Controls. VNArmy 6 Hình 1-7. String Hình 1-8. List & Ring Hình 1-9. Array & Cluster Hình 1-10. Graph & Chart. - Kiểu Boolean (hình 1-6) mô phỏng các nút có hai chế độ như các nút bật/tắt, các chuyển mạch và mô phỏng các đèn LED và các bóng đèn. - Kiểu chuỗi (hình 1-7) chứa các control, indicator và constant kiểu chuỗi. - List và ring (hình 1-8). - Mảng và cluster (hình 1-9) chứa các vỏ kiểu mảng và cluster, các indicator báo lỗi. - Graph và chart (hình 1-10) chứa các indicator để hiển thị dữ liệu dưới dạng đồ thị. - Path và refnum (hình 1-11). - Active X (hình 1-12). Hình 1-5. Numeric Hình 1-6. Boolean. Hình 1-11. Path & Refnum. Hình 1-12. ActiveX. VNArmy 7 * Bảng Functions. Để đặt các hàm và các node của ngôn ngữ lập trình G lên Block Diagram bạn có thể chọn chúng từ bảng Functions. Để cho hiện bảng Functions chọn Windows>>Show Function palette. Một cách khác để chọn phần tử của bảng Functions là bấm chuột phải lên vùng trống ở trên Block Diagram. Hình 1-13 minh hoạ bảng Functions trong LabVIEW. Bảng Functions chứa các hàm và các node sau: - Numeric (hình 1-14) chứa các hàm làm việc trên các phần tử kiểu numeric. Ngoài ra nó còn chứa các hằng số như pi, e… - Boolean (hình 1-15) chứa các hàm làm việc trên các phần tử kiểu boolean như and, or, xor, not… - Các hàm quan hệ hình (1-16) như lớn hơn, nhỏ hơn, bằng, khác… - Structure (hình 1-17) chứa các phần tử điều khiển luồng dữ liệu như vòng for, while, cấu trúc case, sequence và formula node. Hình 1-13. Bảng Functions. Hình 1-14. Numeric. Hình 1-16. Hàm quan hệ. Hình 1-15. Hàm logic. Hình 1-17. Structure. VNArmy 8 Ngoài ra bảng Functions còn chứa các hàm làm việc trên dữ liệu như các hàm xử lý mảng (Functions>>Array), xử lý cluster (Functions>>Cluster), xử lý chuỗi (Functions>>String), vào ra với tệp (Functions>>I/O File) và các thư viện xử lý đa dạng như thư viện xử lý tín hiệu (Functions>>Signal Processing), toán học (Functions>>Mathematics), vào ra với thiết bị (Functions>> Instrument I/O)… * Bảng Tools. Mỗi công cụ trong bảng là một trạng thái hoạt động đặc biệt của con trỏ chuột. Các công cụ này được dùng để xác định hoạt động xảy ra khi kích chuột trên Front Panel hay Block Diagram. Để lấy một công cụ, kích chuột vào công cụ đó ở trên bảng công cụ Tools Palette. Bảng công cụ có cho cả Front Panel và Block Diagram. Nếu nó đang ẩn thì có thể cho hiện bằng cách chọn Windows>>Show Tools Palette. Các công cụ trong bảng bao gồm: Hình 1-18. Bảng Tools. Operating tool - thay đổi giá trị của control và chọn phần văn bản gắn với control. Labeling tool - soạn thảo phần văn bản và tạo các label tự do. Wiring tool - nối các đối tượng với nhau trên Block Diagram. Positioning tool - chọn vị trí, thay đổi kích thước và chọn đối tượng. Object Pop-up Menu tool - mở thực đơn pop-up của một đối tượng. Scroll tool - cuộn cửa sổ mà không cần thanh cuốn. Breakpoint tool - đặt điểm gãy trên các VI, hàm, vòng lặp, cấu trúc sequence và case. Probe tool - tạo các điểm dò trên các dây nối. Color Copy tool - sao chép màu để dán. Color tool - đặt màu và màu nền. VNArmy 9 5. Các bước soạn thảo một VI trong LabVIEW. 1)Tạo giao diện sử dụng. Có thể tạo giao diện sử dụng đồ hoạ trên Front Panel bằng cách lấy các control và indicator từ bảng Control. a) Tạo một VI mới bằng cách chọn New VI từ hộp hội thoại LabVIEW hoặc từ File>>New. b) Đặt các control và indicator lên Front Panel để tạo giao diện sử dụng cho chương trình. 2) Tạo mã nguồn và chạy chương trình. Có thể tạo mã nguồn cho chương trình bằng cách xây dựng Block Diagram cho VI. Để tạo các phần tử của Block Diagram có thể dùng bảng Functions. a) Chuyển từ Front Panel sang Block Diagram bằng cách chọn trong Windows>> Show Diagram. b) Lấy các đối tượng cần thiết từ trong bảng Functions để đặt lên Block Diagram. c) Sử dụng công cụ Wiring tool để nối các phần tử trên Block Diagram với nhau. Việc này sẽ xác định data flow của chương trình. d) Quay trở lại Front Panel và kích chuột vào nút Run trên thanh công cụ. Việc dừng chương trình có thể lập trình hoặc kích vào nút Abort Excution trên thanh công cụ. 3) Lưu chương trình vào đĩa. Lưu chương trình vào đĩa bằng cách vào mục Save hoặc Save as trong thực đơn File. Ví dụ soạn thảo một VI đơn giản trong LabVIEW. Bước 1: Thiết kế giao diện sử dụng. a) Mở một VI mới bằng cách chọn New VI từ hộp hội thoại hoặc chọn File>> New VI. b) Đặt các control và indicator lên Front Panel. - Chọn Tank từ Control>>Numeric và đặt lên Front Panel. - Đánh Volume vào hộp label text và kích chuột vào bất kì đâu trên Front Panel. - Thay đổi thang đo của Tank từ 0 đến 1000 bằng cách: + Sử dụng công cụ label kích vào 10.00 ở trên Tank để làm nổi nó. + Đánh 1000 vào kích ở vị trí bất kì trên Front Panel. Thang đo sẽ tự động thay đổi mức tăng trung gian. - Đặt Thermometer cũng từ Control >>Numeric lên Front Panel. Đặt tên nó Temp và thay đổi thang đo từ 0 đến 100. VNArmy 10Hình 1-20. Sơ đồ khối đơn giản. Bây giờ giao diện sử dụng của bạn như hình 1-19. Bước 2: Tạo mã nguồn cho chương trình. a) Đặt các đối tượng sau lên Block Diagram. b) Sử dụng công cụ Wiring để nối các đối tượng theo như sơ đồ khối hình 1-20. c) Ấn vào nút Run trên thanh công cụ để thực hiện chương trình. Quay về Front Panel để xem kết quả. Và ấn vào nút Abort Excution để dừng chương trình. Bước3: Vào thực đơn File>>Save as để lưu chương trình với tên Temp & Vol.vi. Để đóng VI chọn File>>Close. Hình 1-19. Giao diện sử dụng chương trình. Process Monitor (lấy từ Functions>>Select a VI và vào thư mục LabVIEW \Activity) mô phỏng việc đọc dung tích và nhiệt độ từ sensor. Random Number (lấy từ Functions>>Numeric) tạo ra các số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Hàm nhân (lấy từ Functions>> Numeric) thực hiện nhân hai số và trả lại kết quả. Chương trình này sử dụng 2 hàm nhân. Có thể tạo ra 2 hàm này bằng cách lấy 2 lần từ bảng hoặc sao chép từ một hàm và dán để tạo ra Hằng số (lấy từ Functions>>Numeric): tạo ra 2 cái. Sử dụng công cụ label để thay đổi giá trị của nó thành 10.00. VNArmy 11 6. Chương trình con trong LabVIEW. a) Thiết kế phân cấp. Các chương trình con trong LabVIEW cũng giống như các chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình khác. Nó là một VI được dùng trong Block Diagram của một VI khác được gọi là subVI. Khi bạn tạo một subVI là bạn đang ở VI mức cao nhất và định nghĩa các đầu vào và đầu ra cho ứng dụng. Sau đó, cấu trúc các subVI để thực hiện các hoạt động cần thiết trên dữ liệu khi nó chảy trong Block Diagram. Nếu một Block Diagram có một số lượng lớn các biểu tượng, tập hợp chúng vào một VI cấp thấp để Block Diagram đơn giản hơn. Sự tiếp cận theo module khiến các ứng dụng dễ dàng gỡ rối, hiểu và bảo dưỡng. b) Tạo subVI từ VI. Để gọi một VI từ một Block Diagram của một VI khác, trước hết cần phải tạo biểu tượng và đầu nối cho nó. * Tạo biểu tượng của VI. Mở VI mà sẽ tạo thành subVI cho VI khác. Để tạo biểu tượng của VI cần cho hiện cửa sổ Icon Editor. Có thể gọi cửa sổ này bằng cách kích đúp chuột vào ô biểu tượng ở góc bên phải hoặc kích chuột phải và chọn mục Edit Icon... Khi đó cửa sổ sẽ hiện lên như hình 1-21. Sử dụng các công cụ ở bên trái biểu tượng để tạo biểu tượng theo ý muốn. Có thể chọn OK để lưu biểu tượng và quay về Front Panel hay Cancel để quay về Front Panel mà không lưu bất cứ thay đổi nào. * Chọn mẫu đầu nối. Hình 1-21. Cửa sổ Edit Icon. Hình 1-22. Thực đơn Pattern. VNArmy 12 Để có thể nhận hay truyền dữ liệu bạn cần phải có các conector. LabVIEW có rất nhiều mẫu conector mà có thể chọn bằng cách pop-up trên conector và chọn Paterns từ thực đơn pop-up sẽ được một bảng các mẫu của conector như hình 1-22. Nếu muốn thêm một terminal vào mẫu, đưa con trỏ đến chỗ muốn thêm, pop-up và chọn Add Terminal. Nếu muốn bỏ một terminal, pop-up trên terminal muốn bỏ và chọn Remove Terminal. Nếu muốn thay đổi sự sắp xếp không gian thì có thể chọn một trong các lệnh sau: Flip Horizontal, Flip Vertical hoặc Rotage 90 degrees. * Gán các terminal cho các control và indicator. Bước 1: Kích chuột vào một terminal của conector. Công cụ tự động chuyển thành công cụ Wire. Terminal chuyển thành màu đen. Bước 2: Kích chuột vào control hay indicator trên Front Panel tương ứng với terminal đã chọn ở bước trước. Một đường nét đứt chuyển động bao quanh control hay indicator (như hình 1-23) để báo rằng nó đang được chọn. Bước 3: Kích chuột vào một vùng trống trên Front Panel. Terminal được chọn chuyển thành màu theo kiểu dữ liệu của control hay indicator được nối thông báo rằng terminal đã được gán, nếu terminal là màu trắng tức là đã nối sai. Bước 4: Lặp lại bước 1 và 2 với các control và indicator bạn muốn nối. c) Tạo các subVI từ một phần của VI. Có thể chuyển đổi một phần của một VI thành một SubVI để gọi từ VI khác. Chọn một phần của VI và chọn Edit>>Creat SubVI. Các control và indicator được tự động tạo cho SubVI mới, SubVI được tự động nối với các dây nối đang có và một biểu tượng thay thế cho phần được chọn của Block Diagram của VI gốc. Tạo một SubVI từ một phần của VI giống như việc bỏ