基于LabVIEW 7．0的某實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)性分析

摘要：針對(duì)某試飛課題，在NI LabVIEW 7．0平臺(tái)下進(jìn)行了某試飛科目實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。飛行試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)分析了影響該系統(tǒng)試飛參數(shù)時(shí)間歷程圖實(shí)時(shí)刷新的原因，提出了在飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控中，采用優(yōu)化VI及對(duì)Chart控件二次編程的方法解決Chart曲線圖實(shí)時(shí)刷新的問(wèn)題。在此充分挖掘LabVIEW中Chart控件的屬性進(jìn)行二次編程，解決試飛參數(shù)時(shí)間歷程圖實(shí)時(shí)刷新、顯示問(wèn)題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：VI的性能；VI執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)更新；實(shí)時(shí)顯示

0 引言
    LabVIEW軟件是一種可視化程度較高的圖形化編程工具，以其直觀清晰、簡(jiǎn)明易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)被作為初級(jí)編程者的首選。迄今為止，LabVIEW軟件已在石油、煤炭、工業(yè)自動(dòng)測(cè)量與控制、航空及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域相繼得到了成功應(yīng)用。飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是針對(duì)具體試飛科目而開(kāi)發(fā)的專用型軟件，它要求數(shù)據(jù)傳輸安全、穩(wěn)定可靠及實(shí)時(shí)性好。目前，我院飛行試驗(yàn)遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)的客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，絕大多數(shù)情況下是采用NI LabVIEW的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該類(lèi)型客戶端軟件，一般滿足了試飛課題的需求，保障了科研試飛。但是，針對(duì)一些實(shí)時(shí)性要求較高，試飛風(fēng)險(xiǎn)較大的特定試飛科目，如何開(kāi)發(fā)高性能的試飛科目時(shí)間歷程實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是本文研究的重點(diǎn)。

1 影響VI性能的因素
    VI性能的好壞主要由VI的執(zhí)行時(shí)間、數(shù)據(jù)的刷新速度和VI內(nèi)存的使用三方面決定。
    文件讀和寫(xiě)、使用GPIB、數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都影響VI的執(zhí)行時(shí)間。數(shù)據(jù)在屏幕上的刷新速度與程序中控制控件、顯示控件及與控制控件相關(guān)聯(lián)的控件數(shù)目有關(guān)。此外，合理使用和高效管理VI的內(nèi)存可以提高VI的性能。

2 提高VI執(zhí)行效率的方法
    針對(duì)以上影響VI性能的因素，為提高VI的執(zhí)行效率，在進(jìn)行某客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了以下編程技術(shù)來(lái)增強(qiáng)程序的可讀性。
    (1)程序避免在循環(huán)體里計(jì)算。能在循環(huán)體外計(jì)算時(shí)，盡量將公式計(jì)算安排在循環(huán)體外。
    (2)在滿足軟件設(shè)計(jì)要求的前提下，將前面板顯示控件較多，畫(huà)面布局大于屏幕尺寸的VI分割成幾個(gè)VI進(jìn)行設(shè)計(jì)；或者將大的VI分割成子VI。
    (3)當(dāng)VI程序框圖中使用較多矩陣(Array)或字符串(string)函數(shù)時(shí)，程序框圖中盡量少用全局變量或局部變量；且輸入矩陣和輸出矩陣盡量使用相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。
    (4)設(shè)計(jì)程序框圖時(shí)，盡量使輸出函數(shù)能復(fù)用輸入函數(shù)的內(nèi)存空間，尤其是使用矩陣、矩陣子集或字符串函數(shù)時(shí)。
    (5)如果子VI的前面板不需要顯示，去掉子VI中不用的屬性節(jié)點(diǎn)。
    (6)設(shè)計(jì)VI時(shí)，避免使用復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型，開(kāi)發(fā)高效的程序結(jié)構(gòu)。
    (7)在VI屬性的“執(zhí)行”選項(xiàng)里面，將子VI的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成“子程序”(subroutine)，將主VI的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為“優(yōu)先執(zhí)行”(time criti-cal Priority)的最高優(yōu)先級(jí)。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用
    在NI LabVIEW 7．0平臺(tái)下基于以上編程思想，進(jìn)行了某課題實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。以下是其中的部分監(jiān)控畫(huà)面。監(jiān)控畫(huà)面中用Waveform Chart控件來(lái)實(shí)時(shí)顯示參數(shù)的時(shí)間歷程曲線。根據(jù)軟件的設(shè)計(jì)要求，將Chart圖表的y軸設(shè)置成自動(dòng)，x軸利用控件本身的可見(jiàn)屬性x Scrollbar來(lái)及時(shí)刷新圖表顯示。
    圖1描述了數(shù)據(jù)源以1倍速率從服務(wù)器向客戶端VI發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，正常條件下，兩參數(shù)Par1和Par2的典型Chart趨勢(shì)圖。

    保持客戶端與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)不變，將數(shù)據(jù)源以4倍速率從服務(wù)器向客戶端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，客戶端監(jiān)控畫(huà)面中兩個(gè)參數(shù)曲線出現(xiàn)臺(tái)階式的跳點(diǎn)，對(duì)此現(xiàn)象不做任何處理，該現(xiàn)象一直持續(xù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控中兩參數(shù)的曲線效果如圖2所示。產(chǎn)生圖2現(xiàn)象后，斷開(kāi)服務(wù)器，停止向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)將客戶端VI重新打包生成．exe可執(zhí)行文件，然后服務(wù)器重新開(kāi)始以4倍速率向客戶端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。VI執(zhí)行時(shí)，圖2所示現(xiàn)象消失，客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面恢復(fù)良好。

    或者利用Chart的屬性節(jié)點(diǎn)函數(shù)編程將Chart歷史數(shù)據(jù)清空，同樣地，客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控Chart圖表曲線正常，參數(shù)Par1，Par2實(shí)時(shí)曲線如圖3所示。
    對(duì)上述現(xiàn)象反復(fù)試驗(yàn)多次，結(jié)論仍然成立。研究、對(duì)比分析后，得出如下結(jié)論：
    (1)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，它本身對(duì)VI的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)較大，影響VI的執(zhí)行速度。當(dāng)服務(wù)器向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率較高時(shí)，即單位時(shí)間內(nèi)VI前面板需要更新，顯示數(shù)據(jù)的頻率較快。
    (2)Chart圖表數(shù)據(jù)更新的原理是將新的數(shù)據(jù)添加在舊數(shù)據(jù)之后，該VI中Chart的y軸使用了自動(dòng)刻度。當(dāng)參數(shù)Par1，Par2的y值隨時(shí)間瞬時(shí)變化時(shí)，Chart繪圖的基準(zhǔn)點(diǎn)在不斷變化，使得繪圖曲線呈臺(tái)階式的現(xiàn)象。
    (3)Chart圖表的數(shù)據(jù)緩存區(qū)能夠記憶顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。所以，當(dāng)服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送中斷再重新開(kāi)始發(fā)送時(shí)，原VI的Chart數(shù)據(jù)緩存區(qū)累計(jì)記憶著歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)歷史數(shù)據(jù)累積到一定程度，數(shù)據(jù)緩存區(qū)又沒(méi)有完全釋放。此時(shí)，雖然數(shù)據(jù)緩存區(qū)還在不斷更新數(shù)據(jù)，但新到的數(shù)據(jù)在Chart圖上未及時(shí)刷新繪制，同樣使得曲線呈臺(tái)階式跳點(diǎn)的現(xiàn)象。
    (4)當(dāng)斷開(kāi)服務(wù)器，將VI重新打包時(shí)，打包后的VI所有數(shù)據(jù)緩存區(qū)都是置零的原始狀態(tài)，重新接收數(shù)據(jù)，Chart圖表曲線恢復(fù)良好。
    (5)或者利用Chart控件的屬性節(jié)點(diǎn)，通過(guò)編程方法定時(shí)將Chart圖表的歷史數(shù)據(jù)清空，實(shí)際飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控中，Chart圖表曲線實(shí)時(shí)顯示正常。
    (6)該實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，VI前面板使用了18個(gè)Chart圖表和大量字符串顯示控件，Chart圖表分別對(duì)稱置于前面板中，9個(gè)Chart圖表的垂直總高度尺寸大于顯示器屏幕的高度，這降低了VI的性能，很大程度上也影響了Chart圖表的刷新和實(shí)時(shí)顯示。
    此外，Chart圖表的y軸使用了自動(dòng)刻度(Auto Scale y)，圖表啟用了圖例標(biāo)記(Plot Legend)，這些都對(duì)Chart圖表的刷新速度有一定程度的影響，但不是主要影響因素。

4 結(jié)語(yǔ)
    NI LabVIEW作為一種圖形化的編程工具，以虛擬儀器、圖形化的編程語(yǔ)言等優(yōu)點(diǎn)降低了軟件的入門(mén)門(mén)檻。同時(shí)作為一種快速的軟件開(kāi)發(fā)工具，縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本。本文從影響LabVIEW程序的性能因素出發(fā)，結(jié)合手動(dòng)編程巧妙地解決了Chart圖表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新的問(wèn)題。此外，在開(kāi)發(fā)大型復(fù)雜的基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方面，應(yīng)將NI LabVIEW軟件平臺(tái)與Microsoft Visual studio和
Borland C++等開(kāi)發(fā)工具有機(jī)結(jié)合起來(lái)，靈活地進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。