利用熟悉的計算模型進(jìn)行設(shè)計

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

目錄

　　引言

　　數(shù)據(jù)流

　　數(shù)學(xué)文本公式

　　ODE建模

　　狀態(tài)圖

　　中斷驅(qū)動式編程

　　C 代碼

　　案例研究——帶刷直流電機控制

　　如欲了解更多

引言

　　在可執(zhí)行代碼中實現(xiàn)一個算法的最有效方式是什么?當(dāng)新的項目增加了工程設(shè)計的復(fù)雜度，而這一復(fù)雜度與最終實現(xiàn)所需的工程工作量之間的鴻溝擴(kuò)大時，該問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）”概念解答了這一問題。我們將探究NI LabVIEW平臺所提供的一些不同MoC，以及開發(fā)人員如何在不同的執(zhí)行目標(biāo)平臺（包括臺式機PC、實時系統(tǒng)、嵌入式微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）上使用這些模型。

數(shù)據(jù)流

　　LabVIEW或許因數(shù)據(jù)流MoC最為著稱。對于數(shù)據(jù)流，一項操作要求開發(fā)人員在其執(zhí)行前在所有的輸入中插入數(shù)據(jù)。必須滿足這一條件以執(zhí)行代碼。

圖1。數(shù)據(jù)流執(zhí)行——在乘法操作前實現(xiàn)加法操作。

　　數(shù)據(jù)流編程本質(zhì)上是直觀的，因為它與人類的思維相仿。其他的優(yōu)勢還包括能夠方便地實現(xiàn)和并行化代碼。該數(shù)據(jù)流MoC是該LabVIEW平臺的基礎(chǔ)，它不需要使用任何額外的模塊或工具集。

數(shù)學(xué)文本公式

　　在設(shè)計階段，描述一項算法的最佳工具經(jīng)常是高層次的數(shù)學(xué)函數(shù)。該數(shù)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(fù)雜函數(shù)通過腳本來解釋執(zhí)行的順序。

　　
圖2。采用數(shù)學(xué)文本公式實現(xiàn)巴特沃思濾波器

　　開發(fā)人員可以通過新推出的LabVIEW 2009數(shù)學(xué)腳本RT模塊（該模塊同時與Windows和實時目標(biāo)平臺相兼容），在LabVIEW平臺內(nèi)實現(xiàn)數(shù)學(xué)文本公式。

ODE建模

　　開發(fā)人員在需要表達(dá)一組耦合的微分方程與代數(shù)方程時，常常使用常微分方程（ODE）建模，也稱為連續(xù)時間建模。為實現(xiàn)該MoC，開發(fā)人員采用ODE解析算子數(shù)值求解微分方程。現(xiàn)今，LabVIEW 2009控制設(shè)計與仿真模塊通過一種成為控制與仿真循環(huán)的結(jié)構(gòu)增加了ODE技術(shù)。

圖3。通過ODE構(gòu)建組塊表示的彈簧-質(zhì)量阻尼系統(tǒng)

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不同工作狀態(tài)的軟件系統(tǒng)（如一個通信協(xié)議或控制系統(tǒng)）時尤為有用。狀態(tài)間的通信通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。這些狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有控制每個狀態(tài)間執(zhí)行的約束條件。

圖4。LabVIEW狀態(tài)圖開發(fā)環(huán)境

　　狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移為開發(fā)人員實現(xiàn)了抽象的底層細(xì)節(jié)，從而為他們提供了一個用于創(chuàng)建自述文件與可擴(kuò)展設(shè)計的系統(tǒng)層次視角。利用該LabVIEW狀態(tài)圖模塊，開發(fā)人員可以構(gòu)建基于UML規(guī)范的狀態(tài)圖，以運行于臺式機、FPGA和嵌入式目標(biāo)平臺之上。

中斷驅(qū)動式編程

　　在中斷驅(qū)動式系統(tǒng)中，通過軟件設(shè)計，使得當(dāng)接受到一個注冊事件（如一個定時器）時，激發(fā)一個響應(yīng)以響應(yīng)該事件。任意一個中斷式系統(tǒng)都具有兩個要素：中斷與中斷處理程序。一個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(yīng)當(dāng)中止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序。中斷處理程序（也稱為中斷服務(wù)程序）是指通過向處理器注冊以便在某個中斷發(fā)生時被執(zhí)行的一部分代碼。一旦該處理器察覺一個中斷，它掛起當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程，執(zhí)行上下文切換以保存該系統(tǒng)的狀態(tài)，并執(zhí)行中斷處理程序。一旦該中斷處理程序的代碼執(zhí)行完成，該處理器將控制權(quán)交還先前在運行的程序。

　　在中斷驅(qū)動式編程模式下，開發(fā)人員可以實現(xiàn)利用最少的處理器開銷快速響應(yīng)同步事件或異步事件的高效率代碼。

　　利用LabVIEW，開發(fā)人員可以編程實現(xiàn)基于其系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生事件的響應(yīng)和定時循環(huán)的執(zhí)行。LabVIEW FPGA中斷可以通過響應(yīng)該中斷的LabVIEW實時模塊進(jìn)行觸發(fā)。

　　在LabVIEW中創(chuàng)建中斷的另一個方法便是通過面向ARM微控制器的NI LabVIEW嵌入式模塊使用中斷管理器。開發(fā)人員可以利用VI和定時循環(huán)，響應(yīng)定時器和數(shù)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語言是一種程序式編程語言，這意味著一項程序必須采取一組步驟序列才可以到達(dá)一個期望狀態(tài)。編程人員必須定義一定數(shù)量的步驟以達(dá)成一個設(shè)定目標(biāo)。C語言還添加了調(diào)用子程序或函數(shù)的功能，這支持代碼復(fù)用、模塊性和可維護(hù)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(yīng)用中的方式：

　　調(diào)用庫節(jié)點——節(jié)點可與一個C函數(shù)庫相連接，呈現(xiàn)其C接口以供與LabVIEW協(xié)同使用

　　與LabVIEW FPGA的C接口——開發(fā)人員可以利用C在臺式機、PXI和NI CompactRIO系統(tǒng)上實現(xiàn)與LabVIEW FPGA的通信

　　聯(lián)機C節(jié)點——在ARM和Blackfin處理器等LabVIEW微處理器目標(biāo)平臺上，C代碼可以直接集成入LabVIEW，以便開發(fā)人員可以采用已有的以C語言編寫的IP。

圖6。通過聯(lián)機C節(jié)點將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，所以開發(fā)人員可以將其組合以有效描述一個問題或?qū)崿F(xiàn)一個解決方案。例如，考慮下面的帶刷直流電機控制應(yīng)用，其中，一個PWM信號控制該電機的旋轉(zhuǎn)速率。

　　圖7展示了該系統(tǒng)的最終實現(xiàn)。C代碼與ODE建模的組合描述了該直流電機的動態(tài)特性，而數(shù)據(jù)流則表示了驅(qū)動該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(diào)節(jié)。

圖7。組合多個MoC以表示帶刷直流電機控制