基于LabVIEW 7．0的某實時監(jiān)控軟件設計與實時性分析

摘要：針對某試飛課題，在NI LabVIEW 7．0平臺下進行了某試飛科目實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)開發(fā)。飛行試驗中，實驗分析了影響該系統(tǒng)試飛參數時間歷程圖實時刷新的原因，提出了在飛行試驗實時監(jiān)控中，采用優(yōu)化VI及對Chart控件二次編程的方法解決Chart曲線圖實時刷新的問題。在此充分挖掘LabVIEW中Chart控件的屬性進行二次編程，解決試飛參數時間歷程圖實時刷新、顯示問題，具有很高的實用價值。
關鍵詞：VI的性能；VI執(zhí)行速度；數據更新；實時顯示

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、簡明易學的優(yōu)點被作為初級編程者的首選。迄今為止，LabVIEW軟件已在石油、煤炭、工業(yè)自動測量與控制、航空及醫(yī)學儀器等領域相繼得到了成功應用。飛行試驗實時監(jiān)控軟件是針對具體試飛科目而開發(fā)的專用型軟件，它要求數據傳輸安全、穩(wěn)定可靠及實時性好。目前，我院飛行試驗遙測實時監(jiān)控數據處理系統(tǒng)的客戶端實時監(jiān)控軟件，絕大多數情況下是采用NI LabVIEW的軟件開發(fā)平臺進行開發(fā)。該類型客戶端軟件，一般滿足了試飛課題的需求，保障了科研試飛。但是，針對一些實時性要求較高，試飛風險較大的特定試飛科目，如何開發(fā)高性能的試飛科目時間歷程實時監(jiān)控軟件是本文研究的重點。

1 影響VI性能的因素
VI性能的好壞主要由VI的執(zhí)行時間、數據的刷新速度和VI內存的使用三方面決定。
文件讀和寫、使用GPIB、數據采集及網絡應用都影響VI的執(zhí)行時間。數據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聯(lián)的控件數目有關。此外，合理使用和高效管理VI的內存可以提高VI的性能。

2 提高VI執(zhí)行效率的方法
針對以上影響VI性能的因素，為提高VI的執(zhí)行效率，在進行某客戶端實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)設計時，采用了以下編程技術來增強程序的可讀性。
(1)程序避免在循環(huán)體里計算。能在循環(huán)體外計算時，盡量將公式計算安排在循環(huán)體外。
(2)在滿足軟件設計要求的前提下，將前面板顯示控件較多，畫面布局大于屏幕尺寸的VI分割成幾個VI進行設計；或者將大的VI分割成子VI。
(3)當VI程序框圖中使用較多矩陣(Array)或字符串(string)函數時，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據類型。
(4)設計程序框圖時，盡量使輸出函數能復用輸入函數的內存空間，尤其是使用矩陣、矩陣子集或字符串函數時。
(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。
(6)設計VI時，避免使用復雜的數據類型，開發(fā)高效的程序結構。
(7)在VI屬性的“執(zhí)行”選項里面，將子VI的優(yōu)先級設置成“子程序”(subroutine)，將主VI的優(yōu)先級設置為“優(yōu)先執(zhí)行”(time criti-cal Priority)的最高優(yōu)先級。

3 實時監(jiān)控中的應用
在NI LabVIEW 7．0平臺下基于以上編程思想，進行了某課題實時監(jiān)控軟件的系統(tǒng)開發(fā)。以下是其中的部分監(jiān)控畫面。監(jiān)控畫面中用Waveform Chart控件來實時顯示參數的時間歷程曲線。根據軟件的設計要求，將Chart圖表的y軸設置成自動，x軸利用控件本身的可見屬性x Scrollbar來及時刷新圖表顯示。
圖1描述了數據源以1倍速率從服務器向客戶端VI發(fā)送網絡數據，正常條件下，兩參數Par1和Par2的典型Chart趨勢圖。

保持客戶端與服務器的網絡通信狀態(tài)不變，將數據源以4倍速率從服務器向客戶端發(fā)送網絡數據，客戶端監(jiān)控畫面中兩個參數曲線出現臺階式的跳點，對此現象不做任何處理，該現象一直持續(xù)。實時監(jiān)控中兩參數的曲線效果如圖2所示。產生圖2現象后，斷開服務器，停止向客戶端發(fā)送數據，同時將客戶端VI重新打包生成．exe可執(zhí)行文件，然后服務器重新開始以4倍速率向客戶端發(fā)送網絡數據。VI執(zhí)行時，圖2所示現象消失，客戶端實時監(jiān)控畫面恢復良好。

或者利用Chart的屬性節(jié)點函數編程將Chart歷史數據清空，同樣地，客戶端實時監(jiān)控Chart圖表曲線正常，參數Par1，Par2實時曲線如圖3所示。
對上述現象反復試驗多次，結論仍然成立。研究、對比分析后，得出如下結論：
(1)實時監(jiān)控軟件是網絡應用程序，它本身對VI的內存開銷較大，影響VI的執(zhí)行速度。當服務器向客戶端發(fā)送數據的速率較高時，即單位時間內VI前面板需要更新，顯示數據的頻率較快。
(2)Chart圖表數據更新的原理是將新的數據添加在舊數據之后，該VI中Chart的y軸使用了自動刻度。當參數Par1，Par2的y值隨時間瞬時變化時，Chart繪圖的基準點在不斷變化，使得繪圖曲線呈臺階式的現象。
(3)Chart圖表的數據緩存區(qū)能夠記憶顯示的數據點數。所以，當服務器數據發(fā)送中斷再重新開始發(fā)送時，原VI的Chart數據緩存區(qū)累計記憶著歷史數據，當歷史數據累積到一定程度，數據緩存區(qū)又沒有完全釋放。此時，雖然數據緩存區(qū)還在不斷更新數據，但新到的數據在Chart圖上未及時刷新繪制，同樣使得曲線呈臺階式跳點的現象。
(4)當斷開服務器，將VI重新打包時，打包后的VI所有數據緩存區(qū)都是置零的原始狀態(tài)，重新接收數據，Chart圖表曲線恢復良好。
(5)或者利用Chart控件的屬性節(jié)點，通過編程方法定時將Chart圖表的歷史數據清空，實際飛行試驗實時監(jiān)控中，Chart圖表曲線實時顯示正常。
(6)該實時監(jiān)控軟件，根據其設計要求，VI前面板使用了18個Chart圖表和大量字符串顯示控件，Chart圖表分別對稱置于前面板中，9個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圖表的刷新和實時顯示。
此外，Chart圖表的y軸使用了自動刻度(Auto Scale y)，圖表啟用了圖例標記(Plot Legend)，這些都對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 結語
NI LabVIEW作為一種圖形化的編程工具，以虛擬儀器、圖形化的編程語言等優(yōu)點降低了軟件的入門門檻。同時作為一種快速的軟件開發(fā)工具，縮短了軟件開發(fā)時間，節(jié)省了開發(fā)成本。本文從影響LabVIEW程序的性能因素出發(fā)，結合手動編程巧妙地解決了Chart圖表數據實時刷新的問題。此外，在開發(fā)大型復雜的基于網絡應用的飛行試驗實時監(jiān)控系統(tǒng)方面，應將NI LabVIEW軟件平臺與Microsoft Visual studio和
Borland C++等開發(fā)工具有機結合起來，靈活地進行應用程序的開發(fā)。