LabVIEW與MATLAB混合編程

摘要：結合實(shí)例詳細介紹了LabVIEW通過(guò)ActvieX自動(dòng)化技術(shù)與MATLAB進(jìn)行混合編程，達到了利用MATLAB優(yōu)化算法庫的目的。將LabVIEW與MATLAB有機結合，是一條開(kāi)發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑。 關(guān)鍵詞：LabVIEW語(yǔ)言 MATLAB ActiveX自動(dòng)化 虛擬儀器 LabVIEW建立在易于使用的圖形數據流編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言上，大大簡(jiǎn)化了過(guò)程控制和測試軟件的開(kāi)發(fā)。MATLAB以其強大的科學(xué)計算功能、大量穩定可靠的算法庫，已在為數學(xué)計算工具方面事實(shí)上的標準。但才者各有欠缺，利用混合編程可以相互補充。 MATLAB是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的“演算紙”式的程序設計語(yǔ)言。它提供了強大的矩陣運算和圖形處理功能，編程效率高，幾乎在所有的工程計算領(lǐng)域都提供了準確、高效的工具箱。但MATLAB也有不足之處，例如界面開(kāi)發(fā)能力較差，并且數據輸入、網(wǎng)絡(luò )通信、硬件控制等方面都比較繁瑣。 美國NI公司推出的LabVIEW語(yǔ)言是一種非常優(yōu)秀的面向對象的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW是實(shí)驗室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一個(gè)開(kāi)放型的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用圖標代替文本代碼創(chuàng )建應用程序，擁有大量與其它應用程序通信的VI庫。例如LabVIEW使用自動(dòng)化ActiveX、DDE和SQL，可與其它Windows應用程序集成；使用DataSocket技術(shù)、Web Server、TCP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò )Vis，與遠程應用程序通信。在對硬件的支持方面，LabVIEW集成了與GPIB、VXI、PXI、RS-232/485、PLC和插入式數字采集設備等進(jìn)行數據通信的全部功能。在LabVIEW下開(kāi)發(fā)的程序稱(chēng)為虛擬儀器VI（Virtual Instrument），因為其外形和操作可以模擬實(shí)際的儀器。在對各種算法的支持方面，LabVIEW的工具箱非常有限，這就限制了大型應用程序的快速開(kāi)發(fā)。 鑒于LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了通過(guò)ActiveX技術(shù)，在LabVIEW(Ver6.1)中調用和操作MATLAB（Ver6.5）的方法，實(shí)現LabVIEW和MATLAB的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。圖11 基本原理 ActiveX自動(dòng)化是基于組件對象模型COM（Component Object Model）的技術(shù)，允許應用程序或組件控制另一個(gè)應用程序或組件的運行，它包括自動(dòng)化服務(wù)器和自動(dòng)化控制器。MATLAB支持ActiveX自動(dòng)化技術(shù)。通過(guò)使用MATLAB自動(dòng)化服務(wù)器功能，可以在其它應用程序中執行MATLAB命令，并與MATLAB的工作空間進(jìn)行數據交換。因此可以借助這一特性，把LabVIEW與MATLAB結合，充分利用MATLAB提供的大量高效可靠的算法和LabVIEW的圖形化編程能力，混合開(kāi)發(fā)出功能強大的應用軟件。 2 應用舉例 在混合編程中，通常用LabVIEW設計用戶(hù)圖形界面，負責數據采集和網(wǎng)絡(luò )通信；MATLAB在后臺提供大型算法供LabVIEW調用。 2.1 方法一：使用MATLAB Script節點(diǎn) 為了簡(jiǎn)化調用過(guò)程，LabVIEW提供了MATLAB Script節點(diǎn)。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)執行該節點(diǎn)，啟動(dòng)一個(gè)MATLAB進(jìn)程。這樣用戶(hù)就可以很方便地在自己的LabVIEW應用程序中使用MATLAB，包括執行MATLAB命令、使用功能豐富的各種工具箱，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )工具箱（Neural Network Toolbox）、優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）。值得注意的是：LabVIEWgn MATLAB之間的數據通信僅支持Real、RealVector、RealMatrix、Complex、VectorComplex、Matrix六種格式的數據，且必須根據具體情況進(jìn)行選擇。 當開(kāi)發(fā)涉及工業(yè)控制的應用程序時(shí)，常常由于控制參數的非線(xiàn)性變化，而無(wú)法建立合適的模型。由于此類(lèi)問(wèn)題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供了一條有效的解決途徑。 在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下新建一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的VI程序，程序框圖見(jiàn)圖1。網(wǎng)絡(luò )結構部分主要設置隱層（Hidelay）神經(jīng)元的個(gè)數、傳遞函數（Transfer Function）以及網(wǎng)絡(luò )訓練算法（Algorithm）。經(jīng)過(guò)樣本數據（Training Data）訓練過(guò)的網(wǎng)絡(luò )，即可進(jìn)行仿真測試了。MATLAB腳本程序可以在MATLAB環(huán)境下調試，再使用MATLAB Script節點(diǎn)導入MATLAB腳本；也可以直接在MATLAB Script節點(diǎn)中編寫(xiě)。位于Function>>Mathematics>>Formula模板中的MATLAB Script節點(diǎn)可以導入MATLAB腳本。圖1中的腳本程序使用CASE語(yǔ)句進(jìn)行傳遞函數和訓練算法的選擇。MATLAB Script節點(diǎn)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸入層和隱層之間的權值矩陣inweight應指定為RealMatrix，在LabVIEW中對應的數據類(lèi)型是二維實(shí)數據組Net.I-Weight。各變量數據類(lèi)型見(jiàn)表1。表1 MATLAB Script節點(diǎn)輸入、輸出變量的數據類(lèi)型 變量名LabVIEW數據類(lèi)型MATLAB數據類(lèi)型size of algorithmDouble floating point numericRealt outweight hideb outb result1D array double floating numericReal Vectorp data inweightMultidimensional array double floating point numericReal Matrix在此程序中，得到的BP網(wǎng)絡(luò )各層的權值矩 陣、閾值向量和傳遞函數三類(lèi)參非常有用的，它們決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的結構與特性。因此當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )訓練好后，可以直接使用這些參數處理新的數據，得到預測值，而不必重新調用MATLAB。這樣程序的運行效率會(huì )更高。另一方面，將調試好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )VI創(chuàng )建成一個(gè)子VI，作為模塊保存，當需要更新網(wǎng)絡(luò )時(shí)，可以隨時(shí)調用。 雖然通過(guò)MATLAB Script節點(diǎn)進(jìn)行通信比較易于實(shí)現，但以這種方式調用MATLAB時(shí)，在任務(wù)欄中將出現一個(gè)MATLAB圖標，單擊該圖形會(huì )打開(kāi)MATLAB窗口，在其中可以任意輸入。通常，這會(huì )干擾前臺程序的運行，甚至造成程序的崩潰。另一方面，當MATLAB Script節點(diǎn)中的腳本執行完后，MATLAB也不能自動(dòng)關(guān)閉。 2.2 方法二：使用ActiveX函數模板 在LabVIEW中使用引用（Refnum,也稱(chēng)“參考”）作為某個(gè)對象的唯一標識符，對象可以是文件、設備、網(wǎng)絡(luò )連接等。由于引用是指向某一對象的臨時(shí)指針，因此它僅在對象被打開(kāi)時(shí)有效，一旦對象被關(guān)閉，LabVIEW就會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)連接。為了獲得對MATLAB更多的控制，可以在框圖程序中使用LabVIEW提供的相關(guān)子VI創(chuàng )建和獲取自動(dòng)化對象，然后在代碼中調用對象擁有的方法和屬性。當不再需要對象時(shí)，可以隨時(shí)釋放。 LabVIEW可以調用MATLAB（Ver6.5）ActiveX接口提供的8個(gè)方法和1個(gè)屬性： （1）BSTR Execute([in]BSTR Command)：Execute方法調用MATLAB執行一個(gè)合法的MATLAB命令，并將結果以字符串的形式輸出。其輸入參數Command為字符串類(lèi)型變量，表示一個(gè)合法的MATLAB命令。 （2）void GetFullMatrix([in] BSTR Name，[in]BSTR Workspace，[in,out]SAFEARRAY（double）*pr,[in,out]SAFEARRAY（double）*pi)：使用GetFullMatrix方法，LabVIEW從指定的MATLAB工作空間中獲取一維或二維數組。Name為數組名，Workspace標識包含數組的工作空間，其默認值是“base”。Pr了所提取數組的實(shí)部，pi包含了所提取數組的虛部，它們在LabVIEW中為變體（Variant_數據類(lèi)型。 （3）void PutFullMatrix（[in]BSTR Name，[in]BSTR Workspace，[in]SAFEARRAY(double)*pr,[in]SAFEARRAY（double）*pi）；此方法向指定的MATLAB工作空間中設置一維或二維數組。如果傳遞的數據為實(shí)數型，pi也必須傳送，不過(guò)其內容可以為空。 （4）BSTR GetCharArray（[in]BSTR Name，[in]BSTR Workspace）：此方法從指定的MATLAB工作空間中獲取字符數組。 （5）void PutCharArray（[in]BSTR Name，[in]BSTR Workspace，[in]BSTR charArray）：此方法向指定的工作空間中的變量寫(xiě)入一個(gè)字符數組。 （6）void MinimizeCommandWindow（）：此方法使MATLAB窗口最小化。 （7）void MaximizeCommandWindow（）：此方法使MATLAB窗口最大化。 （8）void Quit（）：用于MATLAB退出。 （9）屬性Visible：當Visible為1時(shí)，MATLAB窗口顯示在桌面上；當Visible為0時(shí)，隱含MATLAB窗口。 舉例說(shuō)明：LabVIEW程序中有二維數組A、B，通過(guò)MATLAB計算表達式B=A.*3（即A的每個(gè)元素均乘以3），得到的結果保存在LabVIEW的數組B中，并顯示在前面板上。其MATLAB Window為枚舉量，值為L(cháng)nvisible或Visible，目的是用于控制任務(wù)上是否出現MATLAB圖標。數組A為控制量，用于輸入二維數組數據。數組B為指示量，用于顯示經(jīng)MATLAB計算后返回的結果?？驁D程序見(jiàn)圖2。此程序較完整地描述了調用MATLAB過(guò)程的總體框架，至于復雜的算法可以在MATLAB中實(shí)現。 首先必須引用自動(dòng)化對象。為此在LabVIEW的Controls>>ActiveX>>Automation Refnum模板中選擇自動(dòng)化引用（Automation Refnum）控制量，將其放置在前面板上，設置控件的Visible屬性為False，從對象列表中選擇Matlab Application（Version6.5）Type Library Version1.0。這樣MATLABr的引用就添加到程序中，其對應的圖標為MLApp.DIMLApp。為了簡(jiǎn)化訪(fǎng)問(wèn)自動(dòng)化服務(wù)器的過(guò)程，LabVIEW在其Function>L>Communication>>ActiveX模板中提供了一組與ActiveX操作相關(guān)的子VI，其中Automation Open.vi打開(kāi)引用，啟動(dòng)MATLAB自動(dòng)化服務(wù)器，并將引用傳遞給其它節點(diǎn)，如屬性節點(diǎn)（Property Node）、調用方法節點(diǎn)（Invoke Node）。程序中LabVIEW調用PutFullMatrix方法，將二維組A通過(guò)參數pr傳到MATLAB的“base”工作空間。雖然A為雙精度浮點(diǎn)型數組，pr和pi的數據類(lèi)型為變體（Variant），數據類(lèi)型不同，但LabVIEW會(huì )自動(dòng)將輸入數據的類(lèi)型轉換為變化，以滿(mǎn)足輸入要求。程序中A為實(shí)數數組，無(wú)虛部，所以給pi賦空值。接著(zhù)LabVIEW調用MLApp.DIMLApp提供的Execute方法，向MATLAB傳送一條命令“B=A.*3”，于是MATLAB將數組A的每個(gè)元素與3相乘，計算后的結果保存在數組B中。再調用GetFullMatrix方法，從“base”工作空間中獲取數組B的實(shí)部。這里必須使用Variant to Data.vi，將變體類(lèi)型的輸出轉化為L(cháng)abVIEW中的二維數組。最后用Quit方法退出MATLAB，Automation Close.vi隨即斷開(kāi)引用。運行程序，可以看到MATLAB一經(jīng)啟動(dòng)，任何標上底圖標例立即消失，計算結果返回到LabVIEW的前面板上。這里僅介紹了ActiveX函數模板的基本使用以及調用MATLAB過(guò)程的總體框架，讀者可以根據需要進(jìn)行擴充。圖22.3 兩種調用方法的比較 （1）MATLAB Script節點(diǎn)具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，一次處理的信息量要以很大。MATLAB腳本可以先在MATLAB下調試。無(wú)誤后再導入到MATLABSeript節點(diǎn)中。MATLAB Script節點(diǎn)對輸入、輸出數據的類(lèi)型有明確的要求。只有LabVIEW中的數據類(lèi)型與MATLAB中的數據型相匹配，才能進(jìn)行數據傳輸。使用MATLAB Script節點(diǎn)的方法，快捷方便，但不利于較大的應用程序開(kāi)發(fā)。當需要使用時(shí)，可將其模塊化，采用主程序動(dòng)態(tài)加載。 （2）使用ActiveX函數模的方法，具有對MATLAB更強的控制能力。如隨時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉MATLAB，隱藏在務(wù)欄中的MATLAB圖標，與MATLAB進(jìn)行字符數組傳輸，這些都是MATLAB Script節點(diǎn)都不具有的。使用ActiveX函數模板時(shí)，經(jīng)常 會(huì )遇到數據類(lèi)型的轉換，尤其是變體（Variant）與其他類(lèi)型的轉換。當高用大型算法時(shí)，必須明確輸入、輸出數據的具體類(lèi)型，而且要盡量減少數據傳輸量和啟動(dòng)MATLAB自動(dòng)化服務(wù)器的次數ActiveX函數模板，適于較大的應用程序開(kāi)發(fā)。在LabVIEW順序結構中，不提供使用。原因是順序結構妨礙了作為L(cháng)abVIEW優(yōu)點(diǎn)之一的程序并行運行機制，而且MATLAB自動(dòng)化服務(wù)器啟動(dòng)也需要一定時(shí)間，這會(huì )使整個(gè)程序不能及時(shí)處理其它的用戶(hù)操作?？傊?，兩種調用方法其自身的優(yōu)勢和不足。在開(kāi)發(fā)一個(gè)大的復雜應用程序時(shí)，綜合不同的應用要求，合理選擇可以顯著(zhù)提高開(kāi)發(fā)效率。 采用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)LabVIEW構建測試儀器開(kāi)發(fā)效率高、可維護性強、測試精度、穩定性和可靠性能夠得到充保證；具有很高的性?xún)r(jià)比，節省投資，但于設備更新和功能擴充。如果能利用MATLAB功能強大的算法庫，可望開(kāi)發(fā)出更具智能化的虛擬儀器，將會(huì )在諸如故障診斷、專(zhuān)家系統、復雜過(guò)程控制等方面大有用武之地。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）