LabVIEW與MATLAB混合編程

摘要：結(jié)合實例詳細介紹了LabVIEW通過ActvieX自動化技術(shù)與MATLAB進行混合編程，達到了利用MATLAB優(yōu)化算法庫的目的。將LabVIEW與MATLAB有機結(jié)合，是一條開發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑。 關(guān)鍵詞：LabVIEW語言 MATLAB ActiveX自動化 虛擬儀器 LabVIEW建立在易于使用的圖形數(shù)據(jù)流編程語言——G語言上，大大簡化了過程控制和測試軟件的開發(fā)。MATLAB以其強大的科學(xué)計算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫，已在為數(shù)學(xué)計算工具方面事實上的標準。但才者各有欠缺，利用混合編程可以相互補充。 MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的“演算紙”式的程序設(shè)計語言。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，例如界面開發(fā)能力較差，并且數(shù)據(jù)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語言是一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言。LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是一個開放型的開發(fā)環(huán)境，使用圖標代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其它應(yīng)用程序通信的VI庫。例如LabVIEW使用自動化ActiveX、DDE和SQL，可與其它Windows應(yīng)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(yīng)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(shù)字采集設(shè)備等進行數(shù)據(jù)通信的全部功能。在LabVIEW下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI（Virtual Instrument），因為其外形和操作可以模擬實際的儀器。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(yīng)用程序的快速開發(fā)。 鑒于LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點，本文介紹了通過ActiveX技術(shù)，在LabVIEW(Ver6.1)中調(diào)用和操作MATLAB（Ver6.5）的方法，實現(xiàn)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自動化是基于組件對象模型COM（Component Object Model）的技術(shù)，允許應(yīng)用程序或組件控制另一個應(yīng)用程序或組件的運行，它包括自動化服務(wù)器和自動化控制器。MATLAB支持ActiveX自動化技術(shù)。通過使用MATLAB自動化服務(wù)器功能，可以在其它應(yīng)用程序中執(zhí)行MATLAB命令，并與MATLAB的工作空間進行數(shù)據(jù)交換。因此可以借助這一特性，把LabVIEW與MATLAB結(jié)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，混合開發(fā)出功能強大的應(yīng)用軟件。 2 應(yīng)用舉例 在混合編程中，通常用LabVIEW設(shè)計用戶圖形界面，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信；MATLAB在后臺提供大型算法供LabVIEW調(diào)用。 2.1 方法一：使用MATLAB Script節(jié)點 為了簡化調(diào)用過程，LabVIEW提供了MATLAB Script節(jié)點。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)執(zhí)行該節(jié)點，啟動一個MATLAB進程。這樣用戶就可以很方便地在自己的LabVIEW應(yīng)用程序中使用MATLAB，包括執(zhí)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(shù)據(jù)通信僅支持Real、RealVector、RealMatrix、Complex、VectorComplex、Matrix六種格式的數(shù)據(jù)，且必須根據(jù)具體情況進行選擇。 當開發(fā)涉及工業(yè)控制的應(yīng)用程序時，常常由于控制參數(shù)的非線性變化，而無法建立合適的模型。由于此類問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一條有效的解決途徑。 在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下新建一個三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的VI程序，程序框圖見圖1。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分主要設(shè)置隱層（Hidelay）神經(jīng)元的個數(shù)、傳遞函數(shù)（Transfer Function）以及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法（Algorithm）。經(jīng)過樣本數(shù)據(jù)（Training Data）訓(xùn)練過的網(wǎng)絡(luò)，即可進行仿真測試了。MATLAB腳本程序可以在MATLAB環(huán)境下調(diào)試，再使用MATLAB Script節(jié)點導(dǎo)入MATLAB腳本；也可以直接在MATLAB Script節(jié)點中編寫。位于Function>>Mathematics>>Formula模板中的MATLAB Script節(jié)點可以導(dǎo)入MATLAB腳本。圖1中的腳本程序使用CASE語句進行傳遞函數(shù)和訓(xùn)練算法的選擇。MATLAB Script節(jié)點中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和隱層之間的權(quán)值矩陣inweight應(yīng)指定為RealMatrix，在LabVIEW中對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型是二維實數(shù)據(jù)組Net.I-Weight。各變量數(shù)據(jù)類型見表1。表1 MATLAB Script節(jié)點輸入、輸出變量的數(shù)據(jù)類型 變量名LabVIEW數(shù)據(jù)類型MATLAB數(shù)據(jù)類型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(quán)值矩 陣、閾值向量和傳遞函數(shù)三類參非常有用的，它們決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特性。因此當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好后，可以直接使用這些參數(shù)處理新的數(shù)據(jù)，得到預(yù)測值，而不必重新調(diào)用MATLAB。這樣程序的運行效率會更高。另一方面，將調(diào)試好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)VI創(chuàng)建成一個子VI，作為模塊保存，當需要更新網(wǎng)絡(luò)時，可以隨時調(diào)用。 雖然通過MATLAB Script節(jié)點進行通信比較易于實現(xiàn)，但以這種方式調(diào)用MATLAB時，在任務(wù)欄中將出現(xiàn)一個MATLAB圖標，單擊該圖形會打開MATLAB窗口，在其中可以任意輸入。通常，這會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(jié)點中的腳本執(zhí)行完后，MATLAB也不能自動關(guān)閉。 2.2 方法二：使用ActiveX函數(shù)模板 在LabVIEW中使用引用（Refnum,也稱“參考”）作為某個對象的唯一標識符，對象可以是文件、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接等。由于引用是指向某一對象的臨時指針，因此它僅在對象被打開時有效，一旦對象被關(guān)閉，LabVIEW就會自動斷開連接。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)建和獲取自動化對象，然后在代碼中調(diào)用對象擁有的方法和屬性。當不再需要對象時，可以隨時釋放。 LabVIEW可以調(diào)用MATLAB（Ver6.5）ActiveX接口提供的8個方法和1個屬性： （1）BSTR Execute([in]BSTR Command)：Execute方法調(diào)用MATLAB執(zhí)行一個合法的MATLAB命令，并將結(jié)果以字符串的形式輸出。其輸入?yún)?shù)Command為字符串類型變量，表示一個合法的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(shù)組。Name為數(shù)組名，Workspace標識包含數(shù)組的工作空間，其默認值是“base”。Pr了所提取數(shù)組的實部，pi包含了所提取數(shù)組的虛部，它們在LabVIEW中為變體（Variant_數(shù)據(jù)類型。 （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(shè)置一維或二維數(shù)組。如果傳遞的數(shù)據(jù)為實數(shù)型，pi也必須傳送，不過其內(nèi)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(shù)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入一個字符數(shù)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，MATLAB窗口顯示在桌面上；當Visible為0時，隱含MATLAB窗口。 舉例說明：LabVIEW程序中有二維數(shù)組A、B，通過MATLAB計算表達式B=A.*3（即A的每個元素均乘以3），得到的結(jié)果保存在LabVIEW的數(shù)組B中，并顯示在前面板上。其MATLAB Window為枚舉量，值為Lnvisible或Visible，目的是用于控制任務(wù)上是否出現(xiàn)MATLAB圖標。數(shù)組A為控制量，用于輸入二維數(shù)組數(shù)據(jù)。數(shù)組B為指示量，用于顯示經(jīng)MATLAB計算后返回的結(jié)果?？驁D程序見圖2。此程序較完整地描述了調(diào)用MATLAB過程的總體框架，至于復(fù)雜的算法可以在MATLAB中實現(xiàn)。 首先必須引用自動化對象。為此在LabVIEW的Controls>>ActiveX>>Automation Refnum模板中選擇自動化引用（Automation Refnum）控制量，將其放置在前面板上，設(shè)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(yīng)的圖標為MLApp.DIMLApp。為了簡化訪問自動化服務(wù)器的過程，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打開引用，啟動MATLAB自動化服務(wù)器，并將引用傳遞給其它節(jié)點，如屬性節(jié)點（Property Node）、調(diào)用方法節(jié)點（Invoke Node）。程序中LabVIEW調(diào)用PutFullMatrix方法，將二維組A通過參數(shù)pr傳到MATLAB的“base”工作空間。雖然A為雙精度浮點型數(shù)組，pr和pi的數(shù)據(jù)類型為變體（Variant），數(shù)據(jù)類型不同，但LabVIEW會自動將輸入數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換為變化，以滿足輸入要求。程序中A為實數(shù)數(shù)組，無虛部，所以給pi賦空值。接著LabVIEW調(diào)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(shù)組A的每個元素與3相乘，計算后的結(jié)果保存在數(shù)組B中。再調(diào)用GetFullMatrix方法，從“base”工作空間中獲取數(shù)組B的實部。這里必須使用Variant to Data.vi，將變體類型的輸出轉(zhuǎn)化為LabVIEW中的二維數(shù)組。最后用Quit方法退出MATLAB，Automation Close.vi隨即斷開引用。運行程序，可以看到MATLAB一經(jīng)啟動，任何標上底圖標例立即消失，計算結(jié)果返回到LabVIEW的前面板上。這里僅介紹了ActiveX函數(shù)模板的基本使用以及調(diào)用MATLAB過程的總體框架，讀者可以根據(jù)需要進行擴充。圖22.3 兩種調(diào)用方法的比較 （1）MATLAB Script節(jié)點具有多輸入、多輸出的特點，一次處理的信息量要以很大。MATLAB腳本可以先在MATLAB下調(diào)試。無誤后再導(dǎo)入到MATLABSeript節(jié)點中。MATLAB Script節(jié)點對輸入、輸出數(shù)據(jù)的類型有明確的要求。只有LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型與MATLAB中的數(shù)據(jù)型相匹配，才能進行數(shù)據(jù)傳輸。使用MATLAB Script節(jié)點的方法，快捷方便，但不利于較大的應(yīng)用程序開發(fā)。當需要使用時，可將其模塊化，采用主程序動態(tài)加載。 （2）使用ActiveX函數(shù)模的方法，具有對MATLAB更強的控制能力。如隨時打開和關(guān)閉MATLAB，隱藏在務(wù)欄中的MATLAB圖標，與MATLAB進行字符數(shù)組傳輸，這些都是MATLAB Script節(jié)點都不具有的。使用ActiveX函數(shù)模板時，經(jīng)常 會遇到數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，尤其是變體（Variant）與其他類型的轉(zhuǎn)換。當高用大型算法時，必須明確輸入、輸出數(shù)據(jù)的具體類型，而且要盡量減少數(shù)據(jù)傳輸量和啟動MATLAB自動化服務(wù)器的次數(shù)ActiveX函數(shù)模板，適于較大的應(yīng)用程序開發(fā)。在LabVIEW順序結(jié)構(gòu)中，不提供使用。原因是順序結(jié)構(gòu)妨礙了作為LabVIEW優(yōu)點之一的程序并行運行機制，而且MATLAB自動化服務(wù)器啟動也需要一定時間，這會使整個程序不能及時處理其它的用戶操作?？傊?，兩種調(diào)用方法其自身的優(yōu)勢和不足。在開發(fā)一個大的復(fù)雜應(yīng)用程序時，綜合不同的應(yīng)用要求，合理選擇可以顯著提高開發(fā)效率。 采用虛擬儀器技術(shù)，通過LabVIEW構(gòu)建測試儀器開發(fā)效率高、可維護性強、測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充保證；具有很高的性價比，節(jié)省投資，但于設(shè)備更新和功能擴充。如果能利用MATLAB功能強大的算法庫，可望開發(fā)出更具智能化的虛擬儀器，將會在諸如故障診斷、專家系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制等方面大有用武之地。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）