LABORATORIUM
POMIARÓW W TECHNICE STUDYJNEJ
Ćwiczenie Nr 1:
LABVIEW – WIRTUALNE LABORATORIUM POMIAROWE
1. WPROWADZENIE DO SYSTEMU LABVIEW
LabVIEW (akronim od ang. Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) jest rozbudowanym systemem służącym do akwizycji, przetwarzania i analizy danych pomiarowych. Zawiera biblioteki funkcji i procedur służących do akwizycji, analizy, prezentacji i zachowywania danych. Funkcje analizy i przetwarzania danych obejmują m.in. generowanie sygnałów, , filtrację, okienkowanie, analizę widmową i statystyczną, algebrę liniową i macierzową. Ponieważ LabVIEW posiada graficzny interfejs użytkownika, główny nacisk położono na różnorodność sposobów prezentacji danych, przypominający klasyczne urządzenia pomiarowe.
LabVIEW jest środowiskiem umożliwiającym tworzenie takich układów pomiarowych, jakie potrzebuje użytkownik. Stosowany jest tu specyficzny „język programowania”, zwany językiem G (graficzny). Programy nie są pisane w formie linijek kodu, lecz projektowane graficznie w postaci schematów blokowych. Dostępne są jednak typowe narzędzia umożliwiające znajdowanie błędów poczynionych w trakcie programowania (debugging). Programy tworzone za pomocą LabVIEW noszą nazwy instrumentów wirtualnych – VI (Virtual Instruments), ponieważ ich wygląd i sposób działania naśladuje rzeczywiste instrumenty pomiarowe.
Każdy program VI składa się z dwóch zasadniczych części.
• Panel czołowy (Front Panel) – okno z szarym tłem, stanowi interfejs użytkownika.
Umieszczane są na nim elementy dwojakiego typu. Elementy kontrolne (controls) umożliwiają użytkownikowi sterowanie pracą instrumentu. Typowe elementy kontrolne to wyłączniki, pokrętła, suwaki i pola tekstowe. Wskaźniki (indicators) służą natomiast do prezentacji wyników działania programu. Należą do nich wykresy, wyświetlacze cyfrowe, diody, itp.
• Schemat blokowy (Block Diagram) – okno z białym tłem, zawiera „kod źródłowy” programu,
procedury i funkcje. Ikony te są łączone za pomocą linii – wirtualnych przewodów (wires). Ważną cechą LabVIEW jest modułowość – napisane wcześniej programy mogą zostać użyte w innych programach jako procedury (podprogramy).
W LabVIEW dostępne są również typowe elementy języków programowania, takie jak pętle (For Loop, While Loop), możliwości wyboru (Case Structure), procedury (Sequence Structure) i inne. Możliwa jest również akwizycja danych zewnętrznych przy użyciu odpowiednich interfejsów. Możliwości systemu LabVIEW są olbrzymie, w niniejszym ćwiczeniu zapoznamy się jedynie z jego podstawami. Zbudujemy układ do analizy widmowej i statystycznej sygnałów.
2. PROJEKTOWANIE INSTRUMENTÓW WIRTUALNYCH VI 2.1 Panel czołowy
Tworzenie wirtualnego przyrządu pomiarowego VI należy rozpocząć od umieszczenia potrzebnych elementów na panelu czołowym urządzenia. Elementy wybiera się z palety Controls (View > Controls Palette, można również kliknąć prawym przyciskiem myszy na pustym polu panelu). Następnie z palety Modern należy wybrać element należący do jednej z grup:
• Numeric – elementy operujące na danych liczbowych,
• Boolean – elementy operujące na wartościach „prawda/fałsz” (np. wyłączniki), • String&Path – elementy operujące na łańcuchach znaków,
• Graph – wykresy.
Każdy z obiektów może być albo elementem kontrolnym (wejściem) albo wskaźnikiem (wyjściem). Nie należy mylić tych dwóch typów. Zmianę typu można dokonać poprzez umieszczenie kursora na elemencie, naciśnięcie prawego przycisku myszy i wybranie opcji Change to Control/Indicator.
Kursor programu automatycznie wybiera tryb pracy, w zależności od tego co chcemy zrobić (np. przesunąć element, zmodyfikować wartość albo połączyć bloki). Tryb pracy można wybrać również za pomocą palety Tools (View > Tools Palette). Wybierając z niej ikonę oznaczoną strzałką można zaznaczać obiekty, zmieniać ich położenie i wielkość. Zaznaczenie elementu i naciśnięcie klawisza DELETE powoduje usunięcie obiektu. Ikona oznaczona rysunkiem ręki umożliwia zmianę parametrów elementu, np. wpisanie tekstu. Ikona z literą A pozwala na umieszczanie etykiet tekstowych, ikona z rysunkiem pędzla – na zmiany koloru poszczególnych elementów. Właściwości specyficzne dla danego typu elementów można ustawić przez umieszczenie kursora na elemencie, naciśnięcie prawego przycisku myszy i wybranie żądanej opcji z rozwijanego menu.
2.2 Schemat blokowy
Aby przejść z okna panelu czołowego do schematu blokowego należy z menu Windows wybrać komendę Show Diagram lub nacisnąć klawisze CTRL+E. Elementy umieszczone wcześniej na panelu czołowym znajdują się już na schemacie, widoczne są w postaci ikon. Inne elementy potrzebne do przetwarzania danych umieszcza się na schemacie w sposób analogiczny jak w przypadku panelu czołowego. Elementy są umieszczone w grupach tematycznych, każda z grup zawiera elementy wykonujące pewien typ operacji (np. analizę, operacje na macierzach, itp).
W kolejnym kroku należy połączyć umieszczone na schemacie elementy. W tym celu należy przesunąć kursor do miejsca, z którego ma wychodzić połączenie. Odpowiednie wyjście elementu zostanie podświetlone, wyświetlona zostanie również jego nazwa. Należy nacisnąć i zwolnić lewy przycisk myszy. Następnie należy przesunąć kursor do miejsca zakończenia przewodu (odpowiednie wejście elementu zostanie podświetlone) i ponownie nacisnąć lewy przycisk myszy (można także „łamać” przewód, klikając w wybranych miejscach schematu). Jeżeli połączenie zostało wykonane prawidłowo, przewód przyjmie kolor odpowiedni dla typu przesyłanych danych. Jeżeli połączenie jest nieprawidłowe, zostanie ono narysowane czarną przerywaną linią. Aby znaleźć przyczynę błędu, można z menu View wybrać komendę Error List (CTRL+L) albo najechac kursorem na błędne połączenie. Nieprawidłowe połączenia można usunąć wybierając z menu Edit komendę Remove Broken Wires lub nacisnąć CTRL+B.
Łatwo popełnić błąd przy łączeniu elementów, zwłaszcza wtedy, gdy elementy posiadają wiele wejść i wyjść. Warto skorzystać z okienka pomocy wywoływanego komendą Show Context Help z menu Help (można również nacisnąć klawisze CTRL+H). Po przesunięciu kursora nad dany element, w okienku pomocy pojawi się opis elementu oraz jego wejść i wyjść. Przy dokonywaniu połączeń odpowiednie wejścia lub wyjścia są podświetlane.
2.3 Uruchamianie układu
Aby uruchomić utworzony układ, należy nacisnąć przycisk oznaczony strzałką, znajdujący się na pasku narzędzi. Jeżeli w programie nie ma błędów, program zostanie skompilowany i uruchomiony. Zatrzymanie działającego programu następuje po naciśnięciu przycisku oznaczonego znakiem STOP.
Jeżeli program zawiera błędy, rysunek na przycisku przedstawia „złamaną” strzałkę. Próba uruchomienia programu powoduje wyświetlenie listy błędów. Listę tę można wywołać także wybierając z menu View komendę Error List lub naciskając klawisze CTRL+L. Podświetlenie opisu błędu i naciśnięcie przycisku Find umożliwia odnalezienie błędu na schemacie. Celowe jest również sprawdzenie czy nie ma błędnych połączeń (należy nacisnąć CTRL+B)
2.4 Wskazówki pomocne przy tworzeniu programów
• Naciśnięcie CTRL+R uruchamia program, CTRL+. (kropka) zatrzymuje go. • CTRL+F przełącza pomiędzy panelem czołowym a schematem blokowym. • CTRL+T układa okna panelu czołowego i schematu blokowego obok siebie.
• CTRL+H uaktywnia okno pomocy (Help/Show Context Help), pomocne w trakcie łączenia elementów.
• CTRL+B (Edit > Remove Broken Wires) usuwa nieprawidłowe połączenia. Warto użyć tej funkcji w przypadku, gdy program nie chce się uruchomić (często przyczyną są nieprawidłowe połączenia).
• CTRL+L (View > Error List) pokazuje listę błędów w programie.
• Aby zmienić wartość elementu (np. opisy wykresu), należy kliknąć dwukrotnie element lewym przyciskiem myszy albo użyć ikony oznaczonej rysunkiem ręki.
• W trakcie dokonywania połączeń można nacisnąć przycisk myszy w chwili, gdy kursor znajduje się na wolnym polu schematu. Umożliwia to zmianę kierunku rysowania przewodu.
• Przeciąganie elementu przy naciśniętym klawiszu CTRL powoduje jego skopiowanie.
3. SAMOUCZEK – ANALIZA WIDMOWA SYGNAŁU
Poniżej opisano czynności, które należy wykonać w celu zbudowania prostego układu do analizy widmowej sygnału. Przy okazji zapoznamy się z filozofią pracy w systemie LabVIEW. Tekst powstał na podstawie samouczka dostępnego na stronie producenta LabVIEW [2].
• Włączyć program LabVIEW. Wybrać opcję Blank VI – zaczynamy od pustego arkusza.
• Najpierw wybrać panel czołowy (szare okno). Jeżeli paleta elementów (Controls) nie jest widoczna, wybrać z menu View > Control Palette.
• Umieścić na panelu czołowym elementy z grupy Modern (jeżeli nie jest widoczna, kliknąć przycisk ze strzałkami): Dial (grupa Numeric), Numeric Control (Numeric) oraz Waveform Graph (grupa Graph). Kliknąć dwukrotnie na nazwie każdego elementu i wpisać nazwy odpowiednio: Frequency [Hz], Amplitude i Time plot (w nazwach elementów nie można stosować polskich liter, aby umieścić tekst z polskimi literami należy kliknąć na elemencie prawym klawiszem myszy i wybrać Visible Items > Caption, po czym wpisać nazwę).
• Przejść do schematu blokowego (okno z białym tłem). Umieszczone wcześniej elementy powinny być już widoczne. Dodać z palety elementów następujące bloki:
o Sine Waveform (z grupy Signal Processing > Waveform Generation), o Uniform White Noise Waveform (jw.),
o Add (z grupy Mathematics > Numeric).
• Otworzyć okno pomocy kontekstowej (CTRL+H).Po najechaniu kursorem na element, w oknie pomocy zostanie wyświetlony jego opis.
• Na schemacie blokowym umieścić kursor nad wyjściem pokrętła częstotliwości. Gdy podświetlone zostanie wyjście, kliknąć myszą. Umieścić kursor nad wejściem frequency generatora sinusoidalnego i kliknąć myszką. Powinno zostać ustanowione połączenie. Jeżeli nie zostanie wyświetlona kolorowa linia łącząca elementy, usunąć złe połączenia (CTRL+B) i spróbować ponownie.
• W podobny sposób połączyć wyjście elementu sterującego amplitudą z wejściem Amplitude generatora sinusoidalnego, połączyć wyjścia signal out obu generatorów z wejściami sumatora, wyjście sumatora połączyć z wejściem wykresu. Łącząc elementy można kształtować przebieg przewodów klikając w wybranych punktach schematu. Należy zauważyć, że przewody mają różną grubość (cienkie – przesyłają pojedyncze wartości, grube – przesyłają macierze i wektory) i kolory (symbolizujące rodzaj przesyłanych danych, np. wartości skalarne, macierze (arrays), wiązki (clusters).
• Generator szumu wymaga podania wartości amplitudy. Najprościej jest umieścić kursor nad wejściem amplitude generatora szumu, kliknąć prawym klawiszem myszy i wybrać opcję Create > Constant. Pojawi się nowy element – można w nim zmienić wartość amplitudy szumu, my pozostawimy domyślną (1).
• Przejść do panelu czołowego. Za pomocą myszy „przekręcić” element sterujący częstotliwością tak aby wskazywał ok. 2 Hz. W pole amplitudy wpisać z klawiatury 5.00. Uruchomić schemat (ikona strzałki na pasku narzędziowym albo CTRL+R). Zmieniając częstotliwość i amplitudę sprawdzić działanie układu.
• Na panelu czołowym dodać nowy wykres (Waveform Graph), zatytułować go Spectrum. Zmienić opis osi X na Frequency [Hz] (klikając dwukrotnie na opisie).
• Przejść do schematu blokowego. Dodamy teraz układ do analizy widmowej. Umieścić na schemacie nowy blok: FFT Power Spectrum (grupa Signal Processing > Waveform Measurements). Na jego wejście time signal podać sygnał z sumatora (można podłączyć się do już istniejącego przewodu), wyjście bloku FFT (power spectrum) podłączyć do wykresu widma. • Na panelu czołowym zmienić zakres częstotliwości – kliknąć dwukrotnie najwyższą wartość i
wpisać 500. Uruchomić schemat i sprawdzić czy działa prawidłowo, zmieniając częstotliwość i amplitudę.
• Układ przeprowadza analizę tylko raz. Zmodyfikujemy go aby działał w pętli. Uaktywnić schemat blokowy. Z grupy Programming > Structures wybrać While Loop. Narysować myszką ramkę obejmującą wszystkie elementy na schemacie. Elementy wewnątrz pętli będą pracować
tak długo, jak długo element w prawym dolnym rogu pętli przyjmuje wartość false. Podanie wartości true (przy domyślnych ustawieniach) spowoduje przerwanie pętli. Kliknąć prawym klawiszem myszy na elemencie sterującym pętli (czerwona kropka) i wybrać Create Control. Na panelu czołowym pojawi się przycisk STOP (jego wciśnięcie wyśle wartość true do pętli). • Uruchomić układ. Sprawdzić czy działa w pętli aż do wciśnięcia przycisku STOP. Sprawdzić
czy zmiany amplitudy i częstotliwości są prawidłowo prezentowane na wykresach. Automatyczne skalowanie osi wykresu można wyłączyć za pomocą opcji z menu podręcznego wykresu. Skalę osi można zmienić klikając dwukrotnie na wartości i wpisując nową.
• Blok analizy widmowej ma kilka parametrów. Dodamy teraz elementy sterujące tymi parametrami. Umieścić kursor kolejno nad wejściami bloku analizy: window, dB On, averaging parameters, kliknąć w każdym przypadku prawym klawiszem myszy i z menu podręcznego wybrać Create > Control. Rozmieścić elementy sterujące na panelu czołowym. Uruchomić układ i sprawdzić działanie poszczególnych opcji.
4. ZADANIA I OPRACOWANIE
4.1. Zapoznać się z możliwościami i obsługą systemu LabVIEW. Zbudować układ według
samouczka z rozdziału 3. Na każdym etapie zweryfikować poprawność działania. Elementy rozmieszczać i łączyć w taki sposób, aby interfejs był czytelny a schemat blokowy pokazywał wyraźnie działanie układu. W końcowej wersji układu zweryfikować wpływ rodzaju okna na wynik analizy widmowej. Zbadać wpływ opcji dotyczących uśredniania (averaging) – spróbować dokonać analizy jak działa każda z tych opcji. Zanotować spostrzeżenia. Wstawić do sprawozdania zrzuty ekranu prezentujące panel czołowy i schemat blokowy układu.
4.2. Dodać elementy dokonujące analizy parametrów statystycznych sygnału: wartość średnią,
odchylenie standardowe, wartość maksymalną i minimalną. Wykorzystać bloki z grup: Mathematics > Probability & Statistics oraz Waveform > Analog waveform (min/max). Samodzielnie dobrać sposób prezentacji wyników. Zweryfikować poprawność opracowanego układu, zanotować spostrzeżenia.
4.3. Zmodyfikować układ tak aby dokonywał analizy pliku dźwiękowego. Usunąć ze schematu
oba generatory, wraz z elementami sterującymi nimi, oraz sumator. Zastąpić je blokiem Sound Read File Simple z grupy Programming > Graphics & Sound > Sound > Files. Do wejścia path tego bloku podłączyć element kontrolny. Usunąć niepotrzebną pętlę While (kliknąć na ramce pętli i wybrać Remove While Loop.
Ponieważ dźwięk odczytany z pliku może być stereofoniczny, aby była możliwa analiza statystyczna musimy wyodrębnić jeden kanał. Trzeba zatem do wyjścia bloku odczytującego plik podłączyć element Index Array z grupy Programming > Array, a do wejścia index tego
bloku podłączyć stałą równą 0 (odczytujemy pierwszy wiersz macierzy). Do wyjścia element tego bloku podłączamy elementy obliczające parametry statystyczne.
Na panelu czołowym wybrać (ikona folderu) plik dźwiękowy (np. z katalogu Windows\Media). Uruchomić układ. sprawdzić poprawność działania, sprawdzić czy wybór okna czasowego ma wpływ na wynik analizy (ustawić odpowiedni zakres skali amplitudy na wykresie). Zanotować spostrzeżenia.
4.4. Zmodyfikować poprzedni układ w taki sposób, aby pobierał dźwięk z mikrofonu. W tym celu
usunąć blok wczytujący plik, zamiast niego umieścić element Acquire sound z grupy Programming > Graphics & sound > Sound > Input. Ustawić parametry nagrywania, wybrać
źródło nagrywania. Usunąć niepotrzebny blok Index Array. Połączyć bloki, uruchomić układ, wprowadzić przez mikrofon krótki (2-3 sekundy) dźwięk, zweryfikować poprawność analizy (warto wcześniej sprawdzić czy mikrofon jest poprawnie ustawiony do nagrywania). Zanotować spostrzeżenia.
4.5. Otworzyć przeglądarkę przykładów: Help > Find Examples. Otworzyć grupę Hardware Input
and Output > Sound (jeżeli nie działa przeglądarka przykładów: wczytać z katalogu programu LabVIEW plik examples\sound2\sound2.llb). Wczytać przykładowe układy z tej grupy, zapoznać się z ich działaniem i przeanalizować strukturę algorytmów. Opisać spostrzeżenia. [Zadanie dodatkowe (dla ambitnych, w miarę wolnego czasu): zmodyfikować plik Continuous sound input tak aby wyświetlał „na żywo” widmo sygnału pobieranego przez mikrofon. Umieścić w sprawozdaniu zrzuty ekranu panelu czołowego i schematu blokowego.]
4.6. Zapoznać się z zawartością biblioteki elementów programu – jakie grupy elementów i jakie
bloki składowe są dostępne. Na tej podstawie zaproponować kilka możliwych zastosowań LabVIEW w dziedzinie pomiarów elektroakustycznych (i nie tylko) – jakie urządzenia można by pomierzyć, jakiego rodzaju bloki byłyby potrzebne.
4.7. Ocenić system LabVIEW pod względem możliwości, ergonomii obsługi, itp. Opisać zalety i
wady systemu LabVIEW w porównaniu z dokonywaniem pomiarów i analizą za pomocą tradycyjnych przyrządów. Jeżeli pojawiły się konstruktywne uwagi dotyczące przebiegu
ćwiczenia – również zamieścić je w tym punkcie.
LITERATURA
[1] Lisa K. Wells – The LabVIEW Student Edition – User’s Guide, Prentice-Hall Inc., 1995. [2] National Instruments – LabVIEW Tutorial on Spectral Analysis,
