ACQUISIRE CON LABVIEW

Lezione I:Introduzione a LabView eFondamenti del DataFlow

Introduzione a LabView

LabView è una piattaforma specificatamente pensata per sviluppare sistemi di acquisizione, analisi e trattamento dati.

I programmi in LabView sono definiti“Virtual Instruments” o VI in quanto simulano il comportamento di strumenti fisici reali.

Introduzione a LabView

Ogni VI è composto da tre elementi: pannello frontale schema a blocchi icona dei connettori.

Ogni operazione viene svolta graficamente in modo da semplificare lo sviluppo e l’uso dell’applicazione.

Il Pannello Frontale

Il pannello frontale è l’INTERFACCIA che il VI presenta all’utente finale

Deve contenere tutti i controlli necessari per interagire con il VI.

Ogni dato da visualizzare all’utente deve essere riportato qui.

Il Pannello Frontale

tutti gli elementi del pannello frontale sono:

CONTROLLI, cioè oggetti a cui l’utente può fornire datioppure

INDICATORI, cioè oggetti da cui l’utente può ottenere dati

Lo Schema a Blocchi

Contiene le controparti di tutti gli elementi presenti nel pannello frontale.

Deve contenere i connettori e gli operatori necessari a definire come trattare il flusso di dati

Lo Schema a Blocchi

Oltre ai CONTROLLI ed agli INDICATORI sullo schema a blocchi troviamo anche:

COSTANTI, cioè fonti di dati non definibili dall’utente

OPERATORI, in grado di svolgere operazioni sulle linee di dati

operatorecostante

operatorecostante

Icona dei Connettori

Ogni VI può essere a sua volta incluso in un altro VI come un subVI.

Ogni operatore dello schema a blocchi è in realtà un subVI

L’icona dei connettori definisce input ed output di ogni subVI

Un subVI espone la sua icona dei connettori al posto del pannello frontale

Esercitazione 001

Hands on Lab: Uso del pannello controlli e del pannello tools Suddivisione in tipi di dato Distinzione controlli/indicatori

Riprodurre il pannello frontale mostrato di seguito preoccupandosi per ora unicamente dell’aspetto grafico

Verificare di aver creato 7 controlli e 3 indicatori

NB:-la barra verticale, “slide” è un controllo-tralasciare lo sfondo azzurro: è solo indicativo-i nomi di indicatori e controlli son solo esemplificativi

Esercitazione 001

Lavorare in DataFlow

Il DataFlow specifica il PERCORSO che i dati devono compiere ma NON L’ORDINE con cui le singole operazioni vanno eseguite

In LabView i dati sono rappresentati da delle linee che connettono la loro sorgente ad operatori ed indicatori.

Ogni tipo di dato è rappresentato da un diverso colore, utilizzato sia per le linee che per i connettori dei subVI

Una linea di spessore marcato indica un array od una matrice, mentre una linea sottile indica un valore scalare

Tipi di Dati

LabView è basato sulla gestione del flusso di dati, quindi il loro tipo è fondamentale

LabView gestisce un gran numero di tipi di dati diversi, suddivisi per categorie

Dati di categorie diverse non possono interagire direttamente

Tipi di dati diversi ma della stessa categoria possono interagire direttamente

Tipi di Dati

Numerici (Interi, Decimali, Virgola Mobile, Date)

Booleani Stringhe (Stringhe e Percorsi)

Aggregati (Array, Matrici e Cluster) Forme d’Onda Dati Dinamici (Segnali ed Errori) Enumeratori

Modalità Debug

È utile per visualizzare il flusso di dati nel diagramma a blocchi

Rallenta l’esecuzione del VI e quindi non va usato se non necessario

Permette di inserire delle sonde (probe) per visualizzare il valore del dato in un determinato punto del flusso

Esercitazione 002

Hands on Lab: Simmetria tra front panel e block diagram Distinzione tipi di dato e flussi Convenzione di verso per il flusso Help contestuale

Convertire in indicatore il controllo slide Aggiungere dal block diagram due indicatori di

tipo boolean Sfruttando la palette NUMERIC sommare al

controllo ampiezza un numero casuale tra 0 e 1 Dividere il valore della fase per 180 e

moltiplicarlo per π Collegare ad ogni INDICATORE presente un

controllo del tipo corrispondente Eseguire in modalità debug, in run ed in run

continously

Strutture Fondamentali

Le strutture principali sono le medesime dei linguaggi di programmazione usuali:WHILE, FOR e CASE

I dati entrano ed escono dalle strutture tramite TUNNEL letti solo all’avvio (ingresso) od alla fine (uscita) della struttura

Ogni VI che interagisca con un utente richiede un ciclo WHILE principale che racchiuda ogni altro elemento e si interrompa tramite un controllo STOP per consentire all’utente di interagire

Strutture Fondamentali

Sia i cicli iterativi (for, while) che i blocchi alternativi (case, conditional) possono essere visti come porzioni autonome di block diagram, in cui i dati viaggiano grazie ad ingressi ed uscite chiamati TUNNEL

È bene mantenere la convenzione di flusso:ingressi a sinistra ed uscite a destra, in modo da leggere il flusso di dati da sinistra a destra

Ciclo WHILE

Quello che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto finchè la condizione di stop (dato booleano) è FALSE

Ogni VI che interagisce con l’utente deve prevedere un ciclo WHILE generale con una condizione di STOP collegata ad un pulsante e contenere un operatore WAIT per evitare di saturare il processore

Esercitazione 003

Hands on Lab: Ciclo WHILE generale con interruttore e WAIT Uso dell’operatore SELECT Mechanical action

Riprendere l’esercitazione 002 Racchiudere l’intero front panel in un blocco WHILE

con un operatore WAIT ms multiple a 500 ms che si interrompa alla pressione di STOP

Sfruttando l’operatore di confronto SELECT fare in modo che la fase venga visualizzata in gradi se l’interruttore è off, in radianti se on

Impostare la mechanical action di START su LATCH e quella dell’interruttore su SWITCH, quindi provare ad invertirle

Ciclo FOR

Quel che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto N volte: l’indice i va da 0 a N-1

Se un tunnel in ingresso trasporta un dato di tipo ARRAY all’interno del ciclo automaticamente avremo l’elemento i-esimo dell’array (indexing), viceversa in uscita possiamo scegliere di creare un array partendo dalla successione di dati

Esercitazione 004

Hands on Lab: FOR con contatore Debug e sonde

Creare un nuovo VI in cui riprodurre il block diagram riportato nella slide precedente

Per ora disattivare la funzione di autoindexing (verrà illustrata in seguito)

Eseguire il VI in modalità debug

Struttura CASE

Esegue solo ciò che è all’interno del riquadro corrispondente al dato cui è collegata la sua condizione.Il menu delle opzioni

disponibili si adatta automaticamente al tipo di dato collegato alla condizione.

Esercitazione 005

Hands on Lab: Differenze tra CHART e GRAPH Struttura While, Case e For

Creare un blocco while di interazione con l’utente (500ms)

Creare un interruttore (switch) GENERATE RANDOM NUMBERS

Creare sia un indicatore CHART che GRAPH Creare un controllo numerico MAX con valori tra 0 e

1000

Sfruttando opportunamente un blocco CASE ed un blocco FOR fare in modo che su entrambi gli indicatori (Chart e Graph) vengano visualizzati 100 numeri casuali compresi tra 0 e MAX, a che la generazione dei numeri avvenga solamente in caso di pressione dell’interruttore GENERATE RANDOM NUMBERS

Esercitazione 005

TODO: Prendere confidenza con i controlli del pannello frontale

Capire la distinzione tra booleani LATCH e SWITCH

Capire la distinzione tra Graph e Chart

Iniziare a tracciare i valori tramite sonde e ricorrendo alla modalità debug

Rappresentazione e formato dati

Tunnel incompleti e completi Creazione automatica di

costanti, indicatori e controlli

ACQUISIRE CON LABVIEW

Lezione II:Array e ClusterShift RegisterForme d’Onda

Riepilogo delle strutture

Finora abbiamo visto le tre strutture di controllo base: WHILE, CASE e FOR

Queste strutture possono svolgere funzioni complesse e molto utili, in modo da semplificare il lavoro quando si tratta di dati strutturati

Ciclo WHILE

Quello che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto finchè la condizione di stop (dato booleano) è FALSE

Ogni VI che interagisce con l’utente deve prevedere un ciclo WHILE generale con una condizione di STOP collegata ad un pulsante e contenere un operatore WAIT per evitare di saturare il processore

Struttura CASE

Esegue solo ciò che è all’interno del riquadro corrispondente al dato cui è collegata la sua condizione.

Il menu delle opzioni disponibili si adatta automaticamente al tipo di dato collegato alla condizione.

Ciclo FOR

Quel che si trova all’interno del ciclo viene ripetuto N volte: l’indice i va da 0 a N-1

Se un tunnel in ingresso trasporta un dato di tipo ARRAY all’interno del ciclo automaticamente avremo l’elemento i-esimo dell’array (indexing)

Shift Register

Spesso è utile passare dei dati tra un’iterazione e la successiva all’interno di un ciclo: per farlo faccio ricorso ad uno SHIFT REGISTER

A differenza di un tunnel lo shift register viene scritto e letto ad ogni iterazione

È molto comodo per creare cumulate o sequenze di dati in congiunzione con l’operatore BUILD ARRAY

Esercitazione 006

Hands on Lab: Shift register come memoria

Riprendere l’esercitazione 005 Sfruttando uno shift register visualizzare in

un nuovo controllo la differenza tra il valore di MAX attuale e quello precedente

Calcolare e visualizzare min, max, media e deviazione standard dell’ultimo set di campioni generati alla pressione di un pulsante boolean CALCOLA (ma NON durante la generazione)

Array e Matrici Gli ARRAY sono strutture ordinate in una o due

dimensioni contenenti un unico tipo di dato: se numerici possiamo vederli come vettori (monodimensionali) o come matrici (bidimensionali)

Per creare un array partendo dai valori elementari esiste BUILD ARRAY, per l’inverso si sfrutta INDEX ARRAY

In LabView gli array sono dinamici, quindi non hanno un numero fisso di elementi, ma possono essere ampliati con l’aggiunta di altri elementi tramite la funzione BUILD ARRAY

Gli array possono contenere qualsiasi tipo di dato gestito da LabView, persino altri array, ma, a differenza dei cluster, non possono contenere elementi di tipi diversi

Tutti gli array in LabView partono dall’elemento di indice 0

Esercitazione 007

Hands on Lab:

autoindexing

Riprendere l’esercitazione 006 Sfruttando un build array ed uno shift

register visualizzare min, max, media e deviazione standard anche di TUTTI I SET di dati generati dall’avvio del vi.

Cluster

I CLUSTER sono aggregati, non necessariamente omogenei, di dati diversi.

Per creare un cluster partendo dai dati elementari sfruttiamo l’operatore BUNDLE, per ottenere i dati elementari dal cluster si ricorre a UNBUNDLE

Un cluster può anche definire delle etichette per i dati, ad esempio il tipo di dato ERRORE è un cluster contenente un booleano “STATUS” ed un intero “ERROR CODE”): sfruttiamo le funzioni “BY NAME”

Un array può essere sempre convertito in cluster, ma non sempre è possibile l’inverso

Esercitazione 008

Hands on Lab:

Cluster ed operazioni su cluster

Riprendere l’esercitazione 007

Alleggerire il ricorso alla memoria memorizzando e visualizzando le informazioni di max,min, media e dev.st solo sotto forma di cluster(per facilitare il calcolo aggiungere al cluster anche l’informazione del numero di campioni da cui i dati derivano)

Mantenere in memoria solo i dati dell’ultima generazione di dati

Visualizzare sia l’ultimo set di dati che lo storico temporale

[eliminare il pulsante calcola e fare in modo che si avvii automaticamente al termine della generazione di numeri]

WaveForms & Signals

Oltre ai dati classici già presentati esistono alcuni tipi di dati particolari dedicati a generare, rappresentare ed analizzare forme d’onda

Un tipo di dato fondamentale è il waveform, per il quale esistono una serie di VI ed operatori già definiti

Molti indicatori od operatori sono POLIMORFICI e si adattano al tipo di dato che viene collegato, waveform e signals compresi

Questi tipi di dati sfruttano un set di VI autonomi per lettura e scrittura su file

Esercitazione 009

Hands on Lab:

Riprendere l’esercitazione 008

Sfruttando gli operatori per la costruzione di waveform aggiungere ai dati generati casualmente l’informazione della frequenza di campionamento impostabile tramite un controllore numerico letto in avvio.

[Impostare come istante di inizio della waveform l’ora attuale tramite gli operatori TIME/DATE]

Esercitazione 010

Hands on Lab:

Mantenere il block diagram ordinato! Riprendere l’esercitazione 009

Sostituire all’operatore di costruzione delle waveform un operatore specifico di generazione di waveform a rumore bianco

Sommare alla waveform a rumore bianco una sinusoidale generata secondo gli stessi parametri, di cui siano impostabili frequenza e ampiezza

[Fare in modo che siano sommabili N sinusoidi]

LabView EXPRESS

I componenti express consentono di sviluppare rapidamente applicazioni di analisi ed interpretazione misure

Sono VI polimorfici con un apposito wizard di configurazione

Spesso richiedono di riavviare il VI per poter funzionare correttamente (son progettati per un VI “monouso”)

Esercitazione 011

Hands on Lab:

Componenti express Riprendere l’esercitazion 010

Sfruttando un operatore EXPRESS visualizzare su di un grafico a parte la componente in ampiezza della FFT del segnale generato

[Fare in modo che l’FFT visualizzata sia il risultato di una media di N generazioni]

[In caso di errore visualizzarlo all’utente ed interrompere l’esecuzione del programma]

Leggere Dati da File

I più comuni sono i file SPREADSHEET, file ASCII che rappresentano numeri a virgola mobile separati in righe e colonne da tabulatori od altro, ad esempio i CSV, separati da “;” e facilmente leggibili in EXCEL

Un’alternativa sono FILE DI TESTO, file ASCII che riportano solo array di stringhe (una per riga), ma che richiedono una conversione tramite parsing

I FILE BINARI scritti da LabView sono di lettura immediata e riproducono esattamente i valori salvati senza bisogno di alcuna conversione.

I DATALOG possono essere letti direttamente senza conversione, prestando però attenzione alla sequenzialità con cui sono stati salvati in origine

Esistono vari tipi di file che LabView può leggere, sia nativamente che interpretando stringhe formattate

Salvare Dati su File

I più comuni sono i file SPREADSHEET, file ASCII che rappresentano numeri a virgola mobile separati in righe e colonne da tabulatori od altro

Un’alternativa sono FILE DI TESTO, file ASCII che riportano solo array di stringhe (una per riga)

I FILE BINARI rappresentano qualsiasi tipo di dato, ma sono leggibili solo da LabView

I DATALOG sono file binari ad accesso rapido, utili per tracciare l’andamento di valori nel corso dell’esecuzione del programma

Esistono vari tipi di file che LabView può scrivere, da utilizzare a seconda del dato che si vuole salvare

Componenti EXPRESS

Esistono anche funzioni ExpressVI per la lettura e la scrittura di forme d’onda e di vari dati dinamici

Questi file sono chiamati MEASUREMENT FILES e possono essere sia binari che testuali

L’uso di questi ExpressVI permette di configurare rapidamente un gran numero di opzioni di salvataggio

Esercitazione 012

Hands on Lab:

OBIETTIVO:Permettere di salvare dei dati storici edil loro spettro calcolato tramite la FFT

Creare e visualizzare una coppia di sinusoidi di ampiezza casuale (0,1) e frequenze determinate dall’utente tramite controlli.

Calcolare e visualizzare lo spettro di entrambe le waveform tramite il vi FFT

Sfruttare il componente express WRITE MEAS. FILE Alla pressione di un tasto SALVA TIME HISTORY il VI deve chiedere

all’utente il nome del file da scrivere e salvare i segnali già acquisiti in formato TESTO-è preferibile salvare aggiungendo (manualmente) l’estensione CSV-per comodità mantenere uno shift register con i segnali acquisiti-aggiungere una sola colonna di tempo per tutti i segnali-se il file già esiste salva con un nuovo nome

Alla pressione di SALVA FFT deve fare lo stesso ma salvare lo spettro

SALVARE UN PAIO DI GENERAZIONI ED UN PAIO DI SPETTRI

Esercitazione 013

Hands on Lab: Creare un nuovo VI autonomo,

con il solito ciclo while generale, un pulsante di stop, un pulsante “LEGGI”,un pulsante “ACCODA” ed un wait a 50ms

OBIETTIVO:Creare un vi che legga e visualizzi in un grafico i segnali contenuti in un file di testo precedentemente salvato (i file di misura si trovano sul sito archimedes nel materiale del corso)

Sfruttare il componente express READ MEAS. FILE Alla pressione di LEGGI il VI deve chiedere all’utente il nome del file

da leggere e visualizzare sul grafico i segnali contenuti nel file Alla pressione di ACCODA leggere i segnali contenuti in un file

(chiedere all’utente il nome) ed accodarli ad uno shift array dei segnali già letti, in modo da visualizzare sia il nuovo file che i precedenti sullo stesso grafico

LEGGERE 3 FILE TRA GLI ESEMPI ED I 2 DELL’ES. PRECEDENTE

subVI

La programmazione in LabView, essendo prettamente grafica, richiede più che in altri ambiti modularità e possibilità di riutilizzo

L’obiettivo nello sviluppare un VI è quello di realizzare un block diagram autoesplicativo

Per ottenere tutto ciò si fa ricorso ai subVI, ovvero alla possibilità di ogni VI di essere richiamato all’interno di un altro VI

Icona dei Connettori

Ogni VI può essere a sua volta incluso in un altro VI come un subVI.

Ogni operatore dello schema a blocchi è in realtà un subVI

L’icona dei connettori definisce input ed output di ogni subVI

Un subVI espone la sua icona dei connettori al posto del pannello frontale

Icona dei Connettori

Anche per la definizione di input ed output si procede per via grafica

L’icona dei connettori, in modalità show connectors, permette di associare ogni elemento del front panel ad un terminale del VI

Ogni terminale può essere consigliato (default), obbligatorio od opzionale

È importante mantenere la convenzione che vuole gli input a sinistra e gli output a destra

Modalità di Esecuzione

Grazie alla finestra VI properties possiamo definire varie proprietà di esecuzione del subVI, la principale rimane però la modalità di esecuzione

L’esecuzione è detta reentrant se possono esistere più istanze del medesimo subVI in esecuzione in contemporanea

L’esecuzione è invece non-reentrant se esiste una sola istanza del subVI cui accedono successivamente i vari VI che lo richiamano

In entrambi i casi un unica istanza del subVI viene collegata ad ogni VI che l’ha richiamata, rendendo quindi possibili operazioni iterative in successione (ad esempio un inizializzazione di una risorsa solo alla prima chiamata od un contatore interno)

Esercitazione 014

Hands on Lab: CREARE UN NUOVO VI

SENZA INTERAZIONE CON L’UTENTE RIPRENDERE L’ESERCITAZIONE 013

OBIETTIVO:Creare un nuovo operatore subVI in grado di calcolare la media, la varianza, il massimo ed il minimo di un segnale dato un segnale ed i valori storici di acquisizioni precedenti (vedi esercitazione 008

Collegare all’icona dei connettori i controlli double ed il grafico-rispettare le convenzioni input=sinistra output=destra!!-cambiare l’icona in modo che sia significativa

Alterare le proprietà del vi in modo che non si apra quando viene chiamato(vi properties->execution->open when called)

Impostare i valori di default dei vari controlli non obbligatori(data operation->make current value default)

NEL VI DELL’ESERCITAZIONE 018 aggiungere (sfruttando il nuovo operatore) anche un canale che mostri il valore del modulo del vettore accelerazione sullo stesso grafico, nonché il valore RMS su un indicatore di tipo GAUGE

Errori RunTime

Gli errori si distinguono a seconda dell’utilizzatore che li genera:

se avvengono mentre stiamo progettando il VI sono errori di DESIGN TIME e impediscono l’avvio del VI stesso

se avvengono quando il VI è in esecuzione sono errori di RUNTIME e non sono prevedibili a priori

Ogni subVI in grado di generare errori deve prevedere un errore in input ed uno in output

Il Flusso degli Errori

Ogni VI che può generare un errore RunTime dispone di due connettori, chiamati error in (no error) ed error out

Il tipo di dati che gestiscono questi terminali è un cluster particolare, composto da status, codice e messaggio

Alcuni controlli, come il blocco case, sono in grado di adattarsi al tipo di dato errore grazie al polimorfismo

Il Flusso degli Errori

un VI che trovi un error in diverso da no error non viene eseguito, ma passa l’errore al terminale error out direttamente

un VI che riscontri un errore RunTime scrive sul suo terminale error out l’errore riscontrato, se nulla è collegato ad error out, compare una finestra di errore standard all’utente

Sequenze di esecuzione

Lavorando in dataflow non si possono controllare le sequenze di operazioni ma solo il flusso di dati

Flussi paralleli avvengono secondo le disponibilità del processore e dell’hardware e non possiamo quindi definirne la sequenza

Nel caso delle operazioni debbano necessariamente essere eseguite in successione possiamo ricorrere al FLUSSO DEGLI ERRORI per imporre una sequenza specifica

Oltre agli errori anche altri tipi di dato contenenti risorse (task, handle, file) sfruttano una catena di connettori IN/OUT utili per creare sequenze

Esercitazione 015

Hands on Lab: RIPRENDE LE ESERCITAZIONI 012 E 013

OBIETTIVO:Poter visualizzare sulla finestra principale del sistema di acquisizione composizioni di file letti sfruttando il vi già creato

Creare un flusso degli errori corretto per l’esercitazione 017 e 018(inserire in fondo al vi 017 un visualizzatore di un eventuale errore con general error handler, e terminare il vi se l’errore è stato generato)

Inserire nell’icona dei connettori dell’esercitazione 018 i terminali per ERROR IN, ERROR OUT e SEGNALI LETTI

Inserire nel vi dell’es. 017 un pulsante LEGGI alla cui pressione la catena degli errori venga passata al vi 018 (usare SELECT A VI…)

Sfruttando il terminale SEGNALI LETTI del vi 018 passare i segnali letti al grafico principale ed all’FFT

LEGGERE 3 FILE TRA GLI ESEMPI PRECEDENTEMENTE SALVATI

Esercitazione 016

Hands on Lab: ESERCITAZIONE CONCLUSIVA

OBIETTIVO:Creare un sistema di acquisizione completo in grado di: Simulare* l’acquisizione di dati sia in modalità continua che

discontinua Salvare i dati delle time histories su file Leggere i dati da file Calcolare FFT da dati salvati o acquisiti Salvare le FFT calcolate su file di testo

Prendere spunto dalle esercitazioni precedenti Ricorrere il meno possibile agli operatori express Sfruttare in maniera intensiva subVI e cluster *considerare che verrà poi sostituito con

un’acquisizione reale