III. HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
2.3. LABVIEW LABVIEW RTO S THIẾT BỊ KẾT NỐI
2.3.1. LabVIEW
2.3.1.1 Khái niệm:
LABVIEW là một ngôn ngữ lập trình dạng biểu đồ sử dụng các biểu tượng thay vì các dòng văn bản để tạo ra các ứng dụng. Ngược lại với các ngôn ngữ lập trình dựa vào văn bản, nơi mà các hướng dẫn quyết định thực hiện chương trình; thì LabVIEW sử dụng dòng dữ liệu lập trình, nơi các dòng dữ liệu quyết định thực hiện điều đó.
LABVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Enginee-ring Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Hoa kỳ, ra đời năm 1986. LABVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ
qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LABVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ hoạ).
Các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới đã tin cậy vào NI LABVIEW nhờ chất lượng ngày càng cao, hiệu quả sản xuất lớn hơn.
Ngôn ngữ lưu đồ đồ hoạ của LABVIEW hấp dẫn các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hoá các hệ thống đo lường và điều khiển. Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho LABVIEW trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho kỹ sư và nhà khoa học.
Hình 2.9 - Lưu đồđồ hoạ của LabVIEW
Môi trường phát triển LabVIEW
- Từ các dự án đơn giản, hàng ngày…:
Phát triển nhanh với công nghệ Express: sử dụng Express VIs và I/O nhanh chóng tạo ra các ứng dụng đo lường phổ biến mà không cần lập trình.
Hàng nghìn chương trình minh hoạ
Kiểu module và phân cấp
Trợ giúp tích hợp
Thư viện giao diện người sử dụng kéo và thả
Hàng nghìn chức năng lập sẵn
- Đến phát triển lớn, theo hướng nhóm (team-oriented):
Ngôn ngữ mở
Gỡ rối bằng đồ hoạ tích hợp
Phân phối ứng dụng đơn giản
Nhiều công cụ phát triển cấp cao
Công cụ phát triển nhóm
Điều khiển mã nguồn
Quản lý đích.
2.3.1.2. Thu nhận, phân tích và hiển thị lặp sẵn: 2.3.1.2.1. Thu nhận:
Môi trường LabVIEW mở tương thích với mọi phần cứng đo với các trợ giúp tương tác, tạo mã nguồn và khả năng kết nối tới hàng nghìn thiết bị giúp tập hợp dữ liệu dễ dàng. Vì LabVIEW cung cấp tính kết nối tới hầu hết mọi thiết bịđo, nên bạn có thể dễ dàng kết hợp những ứng dụng LabVIEW mới vào các hệ
thống hiện tại.
Bất chấp mọi yêu cầu của phần cứng, LabVIEW cung cấp một giao diện để kết nối tới I/O một cách dễ dàng. Đo mọi tín hiệu với LabVIEW (có phần cứng đi kèm): • Nhiệt độ • Độ rung • Âm thanh • Điện áp • Dòng điện • Tần số • Điện trở • Xung • Tín hiệu số. 2.3.1.2.2. Phân tích:
Tính năng phân tích mạnh mẽ, dễ sử dụng là điều không thể thiếu cho
ứng dụng phần mềm của bạn. LabVIEW có hơn 500 chức năng lập sẵn để trích xuất thông tin hữu ích từ dữ liệu thu nhận được, phân tích các phép đo và xử lý tín hiệu. Các chức năng phân tích tần số, phát tín hiệu, toán học, chỉnh lý đường cong, phép nội suy cho phép bạn nhận được số liệu thống kê quan trọng từ dữ
Dù thuật toán cơ bản có phức tạp đến đâu đi nữa thì công cụ phân tích LabVIEW vẫn rất dễ sử dụng. Hơn 15 Express VIs làm giảm độ phức tạp của việc phân tích phép đo trong ứng dụng của bạn qua hộp thoại cấu hình tương tác
để xem trước kết quả phân tích.
2.3.1.2.3. Hiển thị:
Hiển thị dữ liệu bao gồm các chức năng: trực quan, tạo báo cáo và quản lý dữ liệu. LabVIEW bao gồm các công cụ trực quan giúp hiển thị dữ liệu hấp dẫn, trong đó có các tiện ích vẽ biểu đồ và đồ thị cùng các công cụ trực quan 2D, 3D cài sẵn. Bạn có thể nhanh chóng cấu hình lại các thuộc tính của phần hiển thị như màu sắc, kích cỡ phông, kiểu đồ thị; quay, phóng to thu nhỏ và quay quét (pan) đồ thị khi đang chạy. Thêm vào đó, bạn có thể xem và điều khiển VIs qua Internet bằng LabVIEW.
Đối với việc tạo báo cáo, NI cung cấp một số tuỳ chọn như công cụ
tạo tài liệu, báo cáo dạng HTML, báo cáo dạng Word/Excel và báo cáo tương tác với NI DIAdem. Công cụ bổ sung cho nhà phát triển LabVIEW:
Ngoài tính năng tích hợp trong các hệ thống phát triển LabVIEW Base, Full và Professional, bạn có thể tận dụng rất nhiều công cụđể mở rộng ứng dụng và tăng tốc độ phát triển.
Công cụ phát triển:
- Máy phân tích LabVIEW VI: Nâng cao và chứng minh chất lượng mã bằng cách phân tích các ứng dụng mã hoá.
- Bộ dụng cụ biểu đồ trạng thái LabVIEW: tạo mã LabVIEW tương tác dựa trên kiến trúc trạng thái máy.
- Bộ dụng cụ phát triển LabVIEW Express VI: tạo Express VIs
để phân phối cho đồng nghiệp và khách hàng.
- Tạo báo cáo và tính kết nối:
- Bộ dụng cụ tạo báo cáo LabVIEW cho Microsoft Office: tạo báo cáo lập trình cho Microsoft Word/Excel.
- Bộ dụng cụ kết nối cơ sở dữ liệu LabVIEW: Kết nối tới cơ sở
dữ liệu nhờ công nghệ Microsoft ADO và tính năng SQL hoàn thiện.
- DIAdem: phân tích dữ liệu và tạo báo cáo bằng toán học và hình ảnh.
- Xử lý và phân tích tín hiệu:
- Bộ dụng cụ thiết kế bộ lọc số LabVIEW: thiết kế, phân tích và lắp đặt các bộ lọc số bằng công cụ tương tác.
- Bộ dụng cụ xử lý tín hiệu tiên tiến LabVIEW: bổ sung thêm chức năng để liên kết phân tích thời gian-tần số (time- frequency), …
- Bộ dụng cụ điều biến cho LabVIEW: tạo, xử lý và phân tích các lược đồđiều biến tương tự và số.
- Module phát triển LabVIEW Vision: thu nhận, xử lý và hiển thị
hình ảnh.
2.3.1.3. Các khả năng chính của LabVIEW:
LabVIEW được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical). Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Window, Linux, Hãng NI đã phát triển các mô- đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA). Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:
- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt
độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,...
- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Enthernet,..
- Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn.
- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,..
- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic M (Fuzzy), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW. Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ
truyền thống như C, C++.
2.3.1.4. Các phiên bản của LabVIEW:
Từ khi ra đời đã có nhiều thay đổi và cải tiến, ngày nay bản mới nhất tính tới tháng 3 năm 2011 là bản LabVIEW 2010 với nhiều tính năng mới và các mô-đun cũ và mới tương thích với phiên bản này như: mô-đun mô phỏng quá trình, mô-đun xử lý hình ảnh, điều khiển chuyển động, cơ điện tử, công nghệ hoá sinh. Xu hướng của LabVIEW nhờ tính năng hỗ trợ mạnh và nhanh chóng cho các ứng dụng trong kỹ thuật, lĩnh vực giáo dục nên LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu cũng như các hệ thống công nghiệp. Nhiều trường đại học đã đưa LabVIEW trở thành một môn học chính thức.
Bảng thống kê các phiên bản của LabVIEW Phiên bản LabVIEW
LabVIEW project begins LabVIEW 1.0 for Macintosh LabVIEW 2.0 for Macintosh LabVIEW for Windows
LabVIEW 3.0 Multiplatfom version of LabVIEW LabVIEW 4.0 Added professional tools
LabVIEW 6i internet-ready measurement intellingence LabVIEW 6.1 Enhanced networking capabilities, analysis LabVIEW 7 Express VIs, I/O Assistants, FPGA/PDA targets LabVIEW 7.2 LabVIEW 7.5 LabVIEW 8.0 LabVIEW 8.2 LabVIEW 8.5 LabVIEW 8.6 LabVIEW 2009 LabVIEW 2010
2.3.1.5. Sơ lược tính năng của LabVIEW
LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hoá, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử,... Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ
cá nhân (PDA). Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:
Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt
độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,...
Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet.
Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn.
Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,..
Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển PID một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,...
2.3.1.6. Khả năng kết nối thiết bị
Kết nối với tất cả thiết bị/chuẩn/hệđiều hành.
Ðo, test, điều khiển, báo cáo, phân tích.
LabVIEW có thể được sử dụng dành cho nhiều thiết bị khác nhau:
GPIB, Serial, Ethernet, VXI, PXI Instruments.
Data Acquisition (DAQ).
PCI eXtensions for Instrumentation (PXI).
Image Acquisition (IMAQ).
Motion Control.
Real-Time (RT) PXI.
PLC (through OPC Server),
PDA.
Modular Instruments
2.3.1.7. Các ứng dụng và công cụ của LabVIEW:
- Ứng dụng LabVIEW 2010:
Phiên bản LabVIEW 2010 của National Instruments được bổ sung thêm nhiều tính năng mới tiên tiến, hỗ trợ mạnh mẽ cho các kỹ sư cơ khí chế tạo máy, cơđiện tử, điện tử…
Điều này bao gồm việc ứng dụng các khái niệm cơ bản như công nghệ đa phân luồng và lập trình song song, các kỹ thuật tối ưu hoá như trạng thái song song của dữ liệu và các khái niệm tiên tiến như các lỗi xử lý chuyên dụng cho các tác vụ khác nhau trong một hệ thống nhúng thời gian thực. Phiên bản mới
nhất của LabVIEW mở rộng khả năng hỗ trợ đa phân luồng trong lập trình đồ
hoạ trên các hệ thống để bàn cho các ứng dụng thời gian thực nhúng.
Ngoài ra, LabVIEW 2010 còn bao gồm LabVIEW Statechart Module (Module biểu đồ trạng thái). Với công cụ này, các kỹ sư có thể khắc phục những nhược điểm trong các máy trạng thái truyền thống (thiếu khả năng trong việc trình bày đồng thời các trạng thái thực thi, một việc làm cần thiết để quản lý tình trạng đóng máy an toàn).
- Thiết kế hệ thống đồ hoạ
Nhiều năm qua, NI đã truyền bá thiết bị đo ảo, một khái niệm đã cách mạng hoá ngành công nghiệp. Thiết bịđo ảo giúp các kỹ sư dễ dàng tạo ra các hệ
thống do người dùng quy định, thoả mãn đúng nhu cầu ứng dụng của họ. Thiết kế hệ thống đồ hoạ với LabVIEW mở rộng thiết bị đo ảo, cung cấp cho các nhà thiết kế một nền tảng để giải quyết những thách thức về đo lường, phân tích, kết nối và điều khiển. Thiết kế hệ thống đồ hoạ kết hợp với các công cụ phát triển cấp độ cao, như biểu đồ trạng thái có khả năng triển khai các hệ thống điều khiển máy tới màn hình nền.
- LabVIEW có thểứng dụng cho mọi nơi:
- Ví dụ những về sản phẩm dùng labVIEW:
+ NASA dùng LabVIEW để giảm thời gian, cắt giảm giá thành trong hệ thống kiểm tra tựđộng cho Microshutters.
Hình 2.11 - Hệ thống kiểm tra tựđộng của Nasa
+Điều khiển robot tìm mỏ dầu của tập đoàn Nexans
Hình 2.12 - Điều khiển robot tìm mỏ dầu của tập đoàn Nexans
+ Giám sát và điều khiển theo thời gian thực máy gia tốc lớn nhất thế
Điều khiển: Vận tốc, thu thập các số liệu, điều khiển real- time.
Rẻ hơn, nhỏ gọn hơn PLC, v.v...
Trên là những giới thiệu sơ lược về phần mềm, các tính năng và ứng dụng của LabVIEW.
2.3.2. LabVIEW RTOS 2.3.2.1. Giới thiệu 2.3.2.1. Giới thiệu
Ngày nay, RTOS có thể xem là then chốt của nhiều hệ thống nhúng. Nó cung cấp nền tảng để phát triển các ứng dụng. Tuy nhiên, không phải tất cả
hệ thống nhúng đều dùng RTOS. Với các hệ thống nhỏ, với ngoại vi đơn giản chương trình ngắn gọn thì cách lập trình truyền thống là một lựa chọn tối ưu.
Với các hệ thống lớn, tổ chức phức tạp, cần tổ chức lập lịch một cách hợp lý thì RTOS là rất cần thiết.
Có một số chức năng mà RTOS và GPOS hoàn toàn giống nhau đó là:
- Đa nhiệm (ở các cấp độ khác nhau).
- Quản lý hệ thống ở cấp độ phần cứng và phần mềm.
- Cung cấp các dịch vụđể phát triển ứng dụng.
- Đơn giản hoá sựảnh hưởng của phần cứng đối với phần mềm.
- Tuy nhiên RTOS cũng có những đặc điểm riêng phục vụ cho hệ
thống nhúng. - Độ tin cậy cao. - Khả năng mở rộng hoặc thu nhỏ bằng cách thêm bớt các thành phần không cần thiết nhằm phù hợp với các ứng dụng khác nhau. - Thực thi nhanh. - Tiêu tốn ít bộ nhớ. - Lập lịch biểu hướng đến tính thời gian thực.
2.3.2.2. Định nghĩa RTOS
Thời gian thực rất khó định nghĩa. Ta thường sai lầm khi nghĩ hệ
thống thời gian thực (Real-Time System, RTS) là hệ thống có tốc độ xử lý nhanh (gần với thời gian thực của tự nhiên). Thực ra một hệ thống thời gian thực có đặc
điểm sau:
Thực hiện được một hoặc một số nhiệm vụ (task) trong một thời gian qui định. Đảm bảo được dù có bất kỳđiều gì xảy ra đối với hệ thống thì số nhiệm vụ trên vẫn hoàn thành trong đúng thời gian đó. Cần nhớ hệ RTS gồm: Phần mềm RT (real-time software hoặc real-time module hay RT toolkit) và Phần cứng RT (real-time hardware).
Ví dụ: Túi khí (airbag) trên xe hơi là một RTS. Vì khi có cảm biến tai nạn được kích hoạt. Túi khí sẽđược bung ra trong một khoảng thời gian rất ngắn (được định trước bởi kỹ sư lập trình). Giả sử nếu túi khí không là một RTS thì tài xế sẽ chết trước khi túi khí bung. Ví dụ khác về RTS là bộ điều khiển đánh lửa trong động cơ xăng. Tia lửa cần được điều khiển chính xác ở chu kỳđốt (tức sau khi chu kỳ hút đã hút hỗn hợp ký và xăng vào rồi, tới chu kỳ nén, nén hoà khí xăng-khí lên áp suất cá0, thì tia lửa mới được phát ra bởi bộ điều khiển RTS). Nếu không đúng thời điểm này thì động cơ sẽ không hoạt động được hoặc hoạt
động với hiệu suất rất thấp.
Ý tưởng cơ bản của thời gian thực thể hiện ở chỗ, một hệ thống phải có những phản ứng thích hợp, đúng thời điểm với môi trường của nó. Nhiều người luôn nghĩ rằng, thời gian thực có nghĩ là thực sự nhanh, càng nhanh càng tốt, điều này là sai lầm. Thời gian thực có nghĩa “đủ nhanh” (fast enough) trong một ngữ cảnh, một môi trường mà hệ thống đang hoạt động. Khi chúng ta đề cập