کتاب مرجع کاربری LabviEw

پیشگفتار و مقدمه:

در سال های اخیر تحولات بسیار عمیقی در زمینه برنامه نویسی کامپیوتر به وجود آمده است به طوری که سمت و سوی این تحولات به گونه ای بوده است که در صورت عدم آشنایی با نرم افزار های برنامه نویسی و آنالیز کننده های مهندسی برق، دانش مهندسی فرد از اعتبار کافی برخوردار نمی باشد. در این وهله نرم افزاری مانند Labview با تلفیق هر دو کارایی، محیطی را فراهم کرده است که یک کاربر می تواند در ضمن برنامه نویسی به شبیه سازی و آنالیز فرآیند مربوطه نیز بپردازد. شاید این قابلیت شما را به یاد نرم افزار Matlab بیاورد، اما Labview به خاطر رابط گرافیکی بسیار سطح بالا و در عین حال سادگی، محیطی را فراهم کرده است که در آن پیچیدگی های برنامه نویسی نرم افزارهای مربوطه رفع شده است. مزیت دیگر آن صنعتی بودن این نرم افزار است به طوری که شرکت تولید کننده LabVIEW، زمینه را برای کار با سخت افزارهای صنعتی نیز فراهم کرده است از آن جمله می توان کارت های Compact, DAQ, PAC و PCI را نام برد. درواقع یک کاربر ساده LabVIEW عملکرده آن به عنوان یک HMI می باشد که قابلیت مانیتورینگ و همچنین برنامه ریزی سخت افزاری را در حوزه های FPGA, ARM و ... را دارد.

از نقاط اعجاز آور LabVIEW توانایی آن در ارائه امکانات ورودی و خروجی Data از طریق انواع کارت های I/O و پردازش سیگنال می باشد. حال این پردازش در هر زمینه ای چه انواع عملیات فیلتر، حذف نویز، انجام عملیات پیچیده ریاضی، پردازش صوت و یا تصویر می تواند باشد. حتی در صورت علاقه می توانید از Package کامل آن در مورد کنترل به روش منطق فازی یا Fuzzy Loyic استفاده کنید و به برنامه خود توانایی کنترل محیط بر اساس روش های انسانی بدهید. همچنین اگر شما یک برنامه نویس C, MATLAB و یا Basic هستید، می توانید در محیط Labview به میل خود قسمت هایی را با زبان مورد علاقه خود وارد برنامه کرده و آن را با بقیه برنامه Link کنید و یا از کد برنامه هایی که قبلا نوشته اید، در آن استفاده کنید.

با توجه به مطالب عنوان شده و نبود یک منبع آموزشی جامع، نویسندگان این کتاب را بر آن داشت که به نوشتن مرجعی کاربردی بپردازند که شاید بدین ترتیب بتوانند نیازهای دانشگاه و صنعت را پوشش داده و پلی ارتباطی بین این دو جامعه بزرگ دانش و فن آوری باشد. این کتاب مشتمل بر 5 فصل و یک ضمیمه کاملا کاربردی می باشد.

در فصل اول و دوم محیط نرم افزار معرفی شده و چگونگی تعریف یک پروژه و شبیه سازی آن به همراه دستورات پایه برنامه نویسی بیان شده است. در فصل سوم مجموعه ای از مثال های آموزشی به منطور تسریع در روند یادگیری مطالب دو فصل گذشته ارائه شده است. سعی بر آن بوده که مثال های آموزشی جنبه ای علمی داشته و از مسائل ساده شروع شده و به مسائل سختی مانند شبکه های مجازی و ارتباط سریال ختم می شود.

در فصل چهارم مباحث پیشرفته مانند ارتباط بین PLC و LabVIEW بررسی شده است و در فصل پنجم که می توان گفت بخش مهم نرم افزار LabVIEW می باشد به توضیح و پیاده سازی سیستم های کنترلی و شبیه سازی آن ها برای اولین بار پرداخته شده است. ضمیمه کتاب نیز شامل مباحث شبکه کردن، معرفی کارت های DAQ و ... می باشد.

فهرست مطالب کتاب:

• فصل اول: آشنایی با محیط نرم افزار
  

در این فصل که از 13 زیر شاخه تشکیل شده است، به معرفی محیط نرم افزار و شیوه کار با آن پرداخته می شود.

1- معرفی نرم افزار LabVIEW

2- ابزار مجازی VirtualInstruments

3- نصب برنامه

4-  بهره گیری از حرکات مکانیکی کلید های جبری

5- سیم کشی و برقرار نمودن ارتباط

6- گزینه Create

7- روش ایجاد کتابخانه

8- ... 

نرم افزار Lab VIEW با امکانات بسیارپیشرفته مانند برنامه سازی گرافیکی، قابلیت اتصال بسیار بالا، توابع ریاضی و کنترلی متعدد دلیل مناسبی برای محبوبیت این نرم افزار در بین مهندسین می­ باشد. Lab VIEW یک زبان برنامه نویسی گرافیکی است که مهندسان را از نوشتن برنامه های متنی بی نیاز می کند و با ماژول های آماده ای که دارد تقریبا تمامی نیازهای شما را برطرف می کند. Lab VIEW در واقع یک میزکار (Workbech) مهندسی است که زمان زیادی از تولید آن نمی­ گذرد دستورات برنامه نویسی مطابق با اصطلاحات مهندسی نامگذاری شده اند و به همین دلیل کار کردن با آن برای یک متخصص بسیار راحت است به طوری که این قدرت را به فرد می دهد تا ایده ذهنی خود را بدون درگیر شدن با اصول و کلمات برنامه نویسی متنی پیاده سازی نماید و نتیجه آنرا تحلیل کند. این زبان به طور کامل برای ارتباط با سخت افزارهایی مانند GPIB ²، VxI ³، RS232، RS485bluetooth ساخت یافته است حتی به تازگی این شرکت یک کارت محصول جدیدی ارائه کرده است که سرعت ورود / خروج آن تا 2/7 گیگاهرتز می رسد و می­ توان مستقیما سیگنال RF را وارد برنامه کرده و آنرا آنالیز نمود.

همچنین توانایی استفاده از شبکه (TCP/IP) و Activx برای کاربر مهیا شده است. از موارد اعجاب انگیز در این زبان توانایی آن در ارائه امکانات ورودی و خروجی Data از طریق انواع کارتهای I/O و پردازش سیگنال می­ باشد، حال این پردازش در هر زمینه ای چه انواع عملیات فیلترینگ،حذف نویز، انجام عملیات پیچیده ریاضی، پردازش صوت و یا تصویر می تواند باشد. در صورت علاقه مندی می توانید از Package کامل آن در مورد کنترل به روش منطق فازی Fuzzy Iogic) استفاده کرده و به برنامه خود توانایی کنترل محیط براساس روش های انسانی بدهید. همچنین اگر شما یک برنامه نویس MATLAB هستید می توانید در محیط Lab VIEW به میل خود قسمت هایی را از زبان مورد علاقه خود وارد برنامه کرده و آنرا به بقیه برنامه Iink کنید و یا از کد برنامه هایی که قبلا نوشته اید، در آن استفاده نمایید.

Lab VIEW برخلاف تصور افرادی که آن را یک نرم افزار مهندسی صرف می دانند، یک زبان برنامه نویسی کامل است و می توان منطق برنامه نویسی و سرهت آنرا با زبان های مانند C یا Pascal مقایسه کرد، ریتم برنامه نویسی آن به کلی با ریتم زبان های مبتنی بر متن فرق دارد و به طور عادی در برنامه نویسی با Lab VIEW انگشتان دست صفحه کلید را لمس نخواهد کرد! و تنها از ماوس استفاده می شود (مگر برای استفاده از Shortkey ها).

در مقام مقایسه می توان نحوه برنامه نویسی Lab VIEW را با بخش Simulink نرم افزار MATLAB مقایسه کرد. اما تفاوت اصلی در راحتی کار با آیکن ها و ارتباط با محیط خارج از کامپیوتر در این نرم افزار می باشد. نرم افزار Lab VIEW به عنوان نگین نرم افزارهای شرکت NI ⁴ شناخته می شود. این شرکت با شعار The software is the instrument موفق به کسب اعتبار زیادی در میان علاقه مندان به زمینه های پردازشی و کنترلی شده است.

• فصل دوم : آشنایی با ساختار برنامه نویسی
  

در این فصل که از 36 زیر شاخه تشکیل شده است، به معرفی شیوه های برنامه نویسی ، انواع پروتکل ها در نرم افزار Labview و ... می پردازد.

1- دستورات شرطی و ترتیبی Structures

2- ساختار ترتیبی

3- زمان بندی در برنامه

4- طراحی آیکون

5- انتساب ترمینال های کانکتور

6- کلاستر

7- نمودار

8- گراف

9- جدول

10- گره های خصوصیت

11- مبناها

12- واحد ها

13- برقراری ارتباط با برنامه های دیگر

14- نکاتی در مورد پروتکل ها OLE, PPC, TCP ...

دستورات شرطی و ترتیبی (Structures)

اگر تا به حال با زبان های برنامه نویسی مرسوم و متداول، برنامه ای را نوشته باشید احتمالا بخشی از برنامه را با استفاده از حلقه ها تکرار نموده اید. در نرم افزار Lab VIEW دو ساختار While Loop و For Loop جهت تکرار بخشی از برنامه در نظر گرفته شده اند. حلقه ی For، برنامه را به تعداد دفعات مشخصی اجرا می کند. اما اجرای While تا زمانی ادامه می یابد که یک شرط تعیین شده در برنامه در وضعیت True قرار داشته باشد. هر دو حلقه ی مذکور در زیر پالت:

Functions >> Programming>> Structures قرار دارند.

Case Structure

این ساختار در زیر پالت Structures << Programming << Functions قرار دارد. ساختار شرطی می تواند از چند حالت تشکیل می شود که در اصطلاح به هریک از آن Case گوییم. بسته به مقدار عددی یا جبری که به ترمینال انتخابی سیم کشی نموده اید تنها یکی از آن ها به اجرا در می آید.

جهت تعیین عبارت شرطی برای دستور Case می توانید بر روی TerminalSelector کلید راست کرده و گزینه Create Control را انتخاب کنید. در شکل هایی که در ادامه ارائه شده نحوه ایجاد یک دستور Case به صورت کامل به نمایش در آمده است.

• فصل سوم: مثال های آموزشی
  

در این فصل که از 5 زیر شاخه تشکیل شده است، 5 مثال کاربردی آموزش داده می شوند.

1- برنانه ارسال اطلاعات توسط پورت سریال

2- برنامه تولید صدا طبق معادله ...

3- ارتباط توسط بلوتوث

4- ارتباط بیسیم دو کامپیوتر مجزا با استفاده از مادون قرمز

5- ایجاد شبکه مجازی Virtual PC

برنامه 1: ارسال اطلاعات توسط پورت سریال

پورت سریال یکی از متداول ترین روش های موجود جهت اتصال یک دستگاه به کامپیوتر است. با اینکه سیستم های جدیدتر سعی در استفاده محدود از پورت سریال را داشته و پورت سریال را داشته و پورت USB را مورد توجه بیشتر قرار می دهند ولی همچنان دستگاه های متعددی نظیر مودم از پورت سریال استفاده می نمایند. پورت های سریال یک کانکتور استاندارد و یک پروتکل را به منظور اتصال دستگاه هایی نظیر مودم به کامپیوتر را ارائه می نمایند. اغلب کامپیوترها دارای دو پورت سریال می باشند.

مبانی پورت های سریال

تمام سیستم های عامل از پورت سریال پشتیبانی می نمایند. پورت های موازی در مقایسه با پورت های سریال دارای سرعت کمتری می باشند. پورت های USB طی چند سال اخیر رایج و طی سالیان آینده جایگزینی مناسب برای پورت های سریال و موازی خواهند بود.

پورت سریال، داده ها را بصورت سریال (دنبال هم) ارسال و یا دریافت می دارند. در چنین حالتی یک بایت از اطلاعات بصورت هشت بیت یکی پس از دیگری ارسال خواهند گردید. مزیت عمده روش فوق استفاده از یک سیم (کابل) برای ارسال و دریافت داده است. ایراد روش فوق سرعت پایین ارسال اطلاعات با توجه به ماهیت ارسال داده­ها است.

قبل از ارسال هر بایت داده، پورت ارسال یک بیت شروع را ارسال می دارد. بیت فوق صرفا شامل یک بیت مقدار صفر است. پس از ارسال هر بایت، یک بیت پایان ارسال می گردد. ارسال بیت فوق به منزله خاتمه ارسال یک بایت خواهد بود. برای کنترل خطاء ممکن است از یک بیت اضافه با نام Parity نیز استفاده گردد.

پورت های سریال (COM) CommunicationPort بصورت دو طرفه می باشند. ویژگی فوق این امکان را برای هر دستگاه فراهم کرده تا قادر به ارسال و دریافت اطلاعات باشند. دستگاه های سریال از پین های متفاوت برای ارسال و دریافت داده استفاده می نمایند. استفاده از پین های یکسان باعث ارتباطات از نوع half- dublex خواهد شد و این بدان معنی است که اطلاعات قادر به حرکت صرفا در یک جهت می باشند. با استفاده از پین های متفاوت امکان ارتباطات Full- duplex فراهم شده و امکان حرکت اطلاعات در دو جهت فراهم خواهد گردید. عملکرد صحیح پورت های سریال وابسته به یک کنترل کننده خاص با نام UART است.

اتصال سریال

کانکنور خارجی برای یک پورت سریال، نه پین و یا بیست و پنج پین است. با توجه به اینکه موارد استفاده اولیه از پورت های سریال مودم بوده است، وضعیت عملکرد هر پین نیز متاثر از واقعیت فوق بود.

• فصل چهارم:  مباحث پیشرفته
  

در این فصل که از 8 زیر شاخه تشکیل شده است، به مباحثی از جمله ارتباط بین PLC و LabVIEW و ... می پردازد.

1- ارتباز بین PLC و LabVIEW

2- معرفی تکنولوژی PAC یا Programmable Automation Controller

3- اتصال LabVIEW به هر نوع PLC

4- فایل های کتابخانه ای DLL

5- پسورد گذاشتن بر روی کد برنامه

6- 

DLL چیست؟

در کامپیوتر DLL که مخفف dynamic است مجموعه ای از برنامه های کوچک است، که هرکدام می تواند توسط یک برنامه بزرگتر که در کامپیوتر در حال اجرا است احضار شود. برنامه کوچکی که به برنامه بزرگتر اجازه برقراری ارتباط با یک وسیله ویژه مثل چاپگر (پیرینتر)، وب کم و با اسکنر را می دهد همواره به عنوان یک برنامه DLL بسته بندی می شود (معمولا به فایل DLL اشاره می­ شود). مزیت فایل های DLL این است که، از آنجا که DLL ها در حافظه کامپیوتر (RAM) به همراه برنامه اصلی بارگذازی نمی شوند، موجب صرفه جویی در فضای RAM می شوند. وقتی که یک فایل DLL نیاز است، بعدا بارگذاری و اجرا می شود. به طور مثال تا مادامی که یک کاربر Microsoft Word در حال ویرایش یک سند (Document) می باشد، فایل DLL پرینتر نیازی به بارگذاری در RAM ندارد.

اگر کاربر تصمیم به پرینت گرفتن از سند نماید، سپس برنامه کاربردی Word باعث می شود تا فایل DLL چاپگر بارگذاری و اجرا شود. یک DLL مجموعه ای از توابع و پروسه هایی است که می تواند از برنامه یا DLL های نظیر خود فراخوانده شود. به فایل DLL اغلب پسوند نام فایل ‘’ dll’’ داده می شود. فایل های DLL به صورت دینامیکی به برنامه ای که از آن ها در طول زمان اجرای برنامه استفاده می کند، متصل هستند تا اینکه با برنامه اصلی گردآوری شوند.

DLL تقریبا قابل مقایسه با کتابخانه روال هایی هستند (Library Routines) که با زبان های برنامه ریزی از قبیل C++و C فراهم می شوند.

استفاده از اینگونه کتابخانه ها دو مزیت اصلی دارد:

1- امکان به اشتراک گذاری از کد را فراهم می سازند. یک DLL می تواند مورد استفاده خیلی از برنامه های دیگر قرار گیرد بعنوان مثال کتابخانه Win32 API نمونه ای از این سری فایلها است. بعلاوه از زمانی که پروسه های گوناگون قادر به فراخوانی یک DLL واحد هستند امکان به اشتراک گذاری کدها و روتین ها فراهم آمده است. یک فایل DLL تنها یکبار به درون حافظه لود می شود و بارها توسط پروسه های گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرد و این یعنی مدیریت بهتر حافظه.

2- مزیت دیگر امکان نوشت برنامه ها بصورت اجرای منفصل است که این اجرا خود قابل تعویض با نگارش های جدیدتر جهت توسعه نرم افزار خواهند بود بدون اینکه خطی از کد برنامه اصلی دگرگون شود.

با این توصیف فایل های کتابخانه ای درونی که در پروژه ای مورد استفاده قرار می­ گیرد. در صورت تغییر نیاز هست تا پروژه اصلی دوبار کامپایل شود تا بتوان با آن ارتباط برقرار کرد. اما در DLL ها چون بصورت دینامیک و قابل انعطاف نوشته شده اند این اتصال در بیرون از بدنه اصلی و درست در زمانی فراخوانی آن قبیل از متدها و توابع شکل می گیرد و این خود تفاوت آشکاری از مزیت این گونه فایل ها می باشد.

• فصل پنجم: معرفی جعبه ابزارهای کاربردی
  

در این فصل که از 12 زیر شاخه اصلی تشکیل شده است، به آموزش شبیه سازی و پیاده سازی سیستم های کنترلی پرداخته است. لازم به ذکر است که مهمترین بخش کتاب همین بخش است.

1- ToolBox

2- پالت کنترل

3- کنترلر PID

4- انواع اتصالات سیستم

5- حل معادلات کنترل

6- دستورات محاسباتی

7- جعبه ابزار LabVIEW MatchScript

8- توابع کتابخانه ای

9- ...

• فصل ششم: ضمیمه

سخت افزارهای ورودی نرم افزار Lab View

کارت صدا یکی از بردهای سخت افزاری استفاده شده در کامپیوتر است که باعث پخش (و ضبط) صدا می گردد. قبل از مطرح شدن کارت های صدا، کامپیوترهای شخصی برای پخش صدا، صرفا از بلندگوی داخلی خود کامپیوتر استفاده می کردند. این بلندگوها انرژی مورد نیاز خود را از مادربرد کامپیوتر دریافت می کنند. در اواخر سال 1980 استفاده از کارت صدا در کامپیوتر آغاز شد و همزمان با آن تحولات گسترده ای در زمینه کامپیوترهای چند رسانه ای ایجاد گردید. در سال 1989 شرکت Creative labs کارت صوتی (صدا) خود را با نام Creative Labs soundBlaster عرضه نمود. در ادامه آن شرکت های دیگر تولیدات خود را در این زمینه عرضه نمودند.

مبانی کارت صدا

یک کارت صدا دارای بخش های زیر است:

* یک پردازنده سیگنال های دیجیتال (DSP) که مسئولیت اجرای عملیات (پردازش) مورد نظر را بر عهده دارد.

* یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) که وظیفه تبدیل اطلاعات صوتی ذخیره شده در کامپیوتر را به صوت واقعی که گوش انسان می شنود، بر عهده دارد.

* یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای تبدیل صوت ورودی به کامپیوتر به صورت اطلاعات دیجیتال جهت ذخیره سازی در کامپیوتر به کار می رود.

* حافظه RAM یا Flash برای ذخیره برنامه کنترل پردازنده و برنامه های لازم مربوط به کارت صوتی.

* یک اینترفیس دستگاه های موزیکال دیجیتالی (MIDI) برای اتصال دستگاه های موزیک بیرون از کامپیوتر.

*کانکتورهای لازم برای اتصال به میکروفن و یا بلندگو

* یک پورت خاص بازی برای اتصال Joystick

اتصال اغلب کارت های صدا که امروزه استفاده می شود از طریق شکاف یا شیار (اسلات) PCI کامپیوتر بوده که دریکی از اسلات های آزاد و بلا استفاده مادر بد نصب می شود.