НИРС Андреев / МНИ

ния:

используется традиционный для математической литературы способ записи функций и выражений;

пользователю предоставляется интерфейс WYSIWYG – What You See Is What You Get (что видишь, то и получишь - не существует скрытой информации – все показывается на экране, напечатанные документы выглядят на бумаге так же, как на экране);

простые выражения для последующей обработки вводятся с клавиату-

ры;

для облегчения работы предусмотрены панели инструментов; построение графиков, вычисление интегралов, суммирование рядов и

другие относительно сложные операции выполняются заполнением в рабочем документе помеченных позиций;

возможности, предоставленные средой, раскрываются пользователю в соответствии с его потребностями; если, например, пользователь не применяет матричных вычислений, то он может считать, что в пакете их нет;

для реализации приближенных вычислений отобраны самые надежные стандартные алгоритмы;

наиболее часто используемые процедуры MATHCAD оформлены в виде набора легко доступных текстов – шпаргалок (Quick Sheets), содержание которых легко "перетаскивается" в рабочий документ пользователя;

в течение всего сеанса работы пользователю предоставлена обширная, легко доступная и логично организованная справочная система, снабженная собственным простым интерфейсом, гипертекстовыми ссылками и др.;

доступен "настольный" справочник, содержащий множество полезных формул, математических и физических констант; пользователю предоставляются оперативные возможности электронной таблицы и текстового процессора.

Основное отличие MATHCAD от других программных средств этого класса состоит в том, что математические выражения на экране компьютера представлены в общепринятой математической нотации – имеют точно такой вид, как в книге, тетради, на доске.

Записав в привычной форме математическое выражение, можно выполнить с ним самые разнообразные символьные или численные математические операции: вычислить значение, выполнить алгебраические преобразования, решить уравнение, продифференцировать, построить график и т.п. Можно снабдить вычисления текстовыми комментариями, иллюстрациями, построенными в других приложениях, и получить полный отчет о проделанных вычислениях, как, например, приведенный ниже текст о вычислении площади треугольника.

Имеются следующие инструменты для записи и выполнения математических операций:

операции с действительными и комплексными числами, а также с величинами, имеющими размерность;

операторы и логические функции, оперирующие с числами, векторами

141

и матрицами; логические операторы для записи логических выражений;

операторы дифференцирования, интегрирования, вычисления конечных сумм и произведений членов последовательностей;

вычисление значений и построение графиков элементарных и специальных функций;

быстрое преобразование Фурье; немедленная обработка любого символьного выражения;

символьное решение уравнений и систем уравнений; символьное интегрирование, дифференцирование, вычисление преде-

лов и суммирование рядов; простейшие алгебраические преобразования: раскрытие скобок, приве-

дение подобных, разложение на множители и на простейшие дроби; прямые и обратные интегральные преобразования;

обращение и транспонирование матриц, вычисление определителей, собственных значений и собственных векторов;

20 операций с массивами, вложенными массивами и блоками матриц; 6 функций для вычисления размеров и границ массивов;

вычисление разложений матрицы: разложения Холецкого, LU, QR, SVD

(pro);

функций для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, систем обыкновенных дифференциальных уравнений, граничных задач, уравнений с частными производными (pro, в MATHCAD Standard только одна функция);

оператор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, записанных в стандартной математической нотации;

около двухсот статистических функций – от простейших описательных статистик и построения гистограмм до параметрических и непараметрических критериев согласия, дисперсионного анализа и метода Монте-Карло;

функции для финансовых расчетов; аппроксимация сплайнами и построение интерполяционных многочле-

нов;

сглаживание данных, анализ временных рядов, метод наименьших квадратов.

В пакете MATHCAD поддерживаются интерфейсы:

все соглашения и возможности интерфейса последних версий Windows, включая контекстные меню;

удобный вывод и редактирование выражений; возможность выбора удобного способа записи и отображения символов

и операторов при вводе уравнений; поддерживается технология OLE-2;

автоматически поддерживается технология OLE-2, использующая VB Script;

все определенные в Windows приемы форматирования документов; инструменты использования компонент Axum LE для построения более

142

точных плоских графиков; инструменты внедрения в рабочий документ технических чертежей,-

построенных SmartSketch LE, таким образом, что параметры изображения могут быть определены как результаты вычислений, выполненных в рабочем документе операторами MATHCAD;

средствадиагностики ошибок в рабочем документе; механизмы работы с документами в сетях;

средства связи пользователей MATHCAD всего мира через открытый форум Collaboratory;

В распоряжении пользователей MATHCAD возможности функционального программирования (pro):

процедурные операторы для построения программ; определение локальных переменных, строк, данных сложной структу-

ры и вложенных массивов; реализация циклических, рекурсивных и ветвящихся алгоритмов с ис-

пользованием операторов Returnи Continue; контроль ошибок времени исполнения;

возможности использования символьных выражений в программах.

MathCotiriex VH

определение, связывание и перетаскивание (drag-and-drop) компонент MathConnex, включая данные и выходные таблицы в форматах MATHCAD, Excel, MATLAB и др.;

объединение данных и управление данными и вычислениями в различных приложениях;

анализ и отладка вычислений;

MaihConnex – среда объединения и связывания различных приложений и данных в единую вычислительную систему.

ConnexScript – для записи математических выражений;

автоматическое внедрение OLE-компонент, использующих языки VB Script и Jscript.

Графические возможности пакета MATHCAD:

интерактивная двумерная и трехмерная графика, в том числе декартовы, параметрические, полярные, точечные графики, линии уровня, параметрические поверхности, гистограммы, векторные поля;

трассировка, анимация; быстрое построение плоских графиков.

Возможности форматирования текстов пакета MATHCAD: проверка орфографии;

форматирование текстов, вставка формул в текст, форматирование страниц;

предварительный просмотр текста перед печатью. Предоставление возможностей Web:

постоянный доступ к поисковым программам во время работы в среде пакета с помощью Internet Explorer;

поддержка интерфейса MAPI;

143

определение локальных гипертекстовых ссылок или ссылок в Web; присоединение к Collaborator – общедоступному Интернет-форуму,

объединяющему всемирное сообщество пользователей MATHCAD. Открытость (т.е. получение доступа к любым компонентам пакета,

возможность встраивания ранее созданных программ на языках высокого уровня) для развития пакета MATHCAD (pro) обеспечивают следующие решения:

определение собственной библиотеки функций; расширение предметно-ориентированных функциональных возможно-

стей добавлением специализированных пакетов;

расширение графических возможностей подключением пакета Ах-um во время работы;

определение собственного стиля математической записи. Информационно-справочные возможности пакета MATHCAD: 300 шпаргалок (быстрых подсказок);

технические справочные таблицы и руководство по прикладной статистике;

руководство по решению уравнений в MATHCAD;

руководство по программированию в MATHCAD;

постоянно обновляемая Web-библиотека документов MATHCAD и Электронных книг;

контекстная справка, справка с оглавлением и инструментами.

11.3. Технология виртуальных приборов компании

National Instruments

В настоящее время трудно представить себе, чтобы работа инженераисследователя обходилась без использования персонального компьютера. Это необходимо и при определении структуры и алгоритмов функционирования системы, и в моделировании и макетировании узлов и устройства целиком, и при разработке документации, и даже при настройке и регулировке системы. Ранее в распоряжении инженера имелись программные средства от языков высокого уровня С и Pascal до специализированных прикладных пакетов систем автоматизированного проектирования (САПР).

Языки высокого уровня помогают инженеру на этапе подготовки модели его системы, при анализе ее поведения в различных условиях. Системы автоматизированного проектирования позволяют использовать интерактивный режим проектирования и проводить моделирование разрабатываемых систем в условиях, близких к реальным условиям работы. И в том и в другом случае от инженера требуется не только знание своей родной области, но и умение грамотно создать свою программу и правильно пользоваться уже имеющимися программными средствами.

На начальном этапе применение компьютера для автоматизации проектирования сводилось к решению частных задач, носивших главным образом расчетный характер. Для каждой задачи строилась ее математическая модель,

144

выбирался численный метод и разрабатывался алгоритм решения. Полученные от компьютера результаты подвергались необходимой обработке «вручную», так называемый «позадачный подход».

Первой характерной особенностью САПР и их принципиальным отличием от «позадачных» методов является возможность комплексного решения общей задачи проектирования, установления тесной связи между частными задачами. Проведение имитационного моделирования в условиях работы, близких к реальным, позволяет сравнить различные варианты решения и выбрать лучший из них. Однако при этом языки программирования и средства САПР становится сложными, возникает задача общения между программами и данными, полученными разными программами. Появляется задача обеспечения рационального выбора аппаратного обеспечения не только для программ и средств САПР, но и для средств сопряжения компьютера с физическими объектами.

Трансформация макетирования и натурного моделирования в математическое моделирование с возможностью представления объекта его экспериментальными характеристиками привело к появлению на рабочих местах проектировщиков специализированных САПР «виртуальных инструментов». Такие САПР обладают средствами для создания виртуальных устройств различного назначения, например осциллографов, анализаторов спектра, и, обработки данных, полученных как в режиме реального времени от физического объекта, так и в виде файлов. Система LabVIEW, разработанная фирмой «National Instruments» является именно такой. Эта фирма существует более

30 лет.

Основным принципом построения систем сбора, обработки и управления на базе оборудования и программного обеспечения фирмы «National Instruments» является возможность превращения персонального компьютера в измерительный комплекс с требуемыми метрологическими характеристиками.

Конфигурировать измерительные комплексы в системе LabVIEW можно как от датчиков и исполнительных механизмов (измерительно-схемная или аппаратная часть), так и от обработки данных (вычислительная часть). В первом случае необходимо подсоединить датчики к персональному компьютеру и провести аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов для дальнейшей обработки и формирования отчетов. Во втором случае задача решается встроенными программными средствами обработки сигналов, статистического анализа, имитации, при необходимости - работы внешних устройств.

Очень важно, что алгоритм обработки сигналов и для первого и для второго подхода остается одним и тем же.

Система LabVIEW позволило существенно упростить и сделать универсальным комплекс объект – система съема информации. Появилась возможность на основании датчика, аналого-цифрового преобразователя и соответствующих программных средств осуществлять функции множества измерительных приборов различного назначения, а также функции обработки ре-

145

зультатов измерений. Запись больших массивов данных позволяет запоминать результаты эксперимента, что дает возможность проводить ретроспективный анализ, статистическую обработку и т.д. (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Принцип построения виртуальных измерительных комплексов

LabVIEW - программа называется виртуальным прибором или ВП (VI - Virtual Instruments), т.к. внешний вид на экране и функциональность повторяет традиционный физический прибор, такой как осциллограф или мультиметр. LabVIEW содержит большой набор инструментов для сбора данных, обработки (анализа), отображения и архивирования. В LabVIEW встроены средства поиска и разбора ошибок, отладки кода. В LabVIEW инженерисследователь создает интерфейс пользователя или лицевую панель ВП, используя многочисленные управляющие элементы и индикаторы. К управляющим элементам относятся лимбы, ручки регулировки, тумблеры, кнопки и т.д., к индикаторам - графики, лампочки и другие элементы отображения. После того как инженер-исследователь создал лицевую панель, он определяет функциональность ВП, помещая на блок-диаграмму код программы в виде других ВП и структур LabVIEW, для управления элементами лицевой панели. Таким образом, код программы в LabVIEW - это привычная для инженера блок-схема.

LabVIEW особенно удобно использовать для связи с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в персональный компьютер измерительными платами, платами захвата видеоизображения и управления движением, приборами, подключаемыми к персональному компьютеру через стандарт-

ные интерфейсы: GPIB (КОП), PСI, PXI, VXI, RS-232/485 и т.д. LabVIEW –

содержит огромное количество библиотек для расширенного анализа сигналов.

146

Программирование в LabVIEW происходит графически, т.е. отсутствует привычное текстовое описание алгоритма на языке программ высокого уровня. Инженеру достаточно составить блок-схему алгоритма и внести ее в программу. Сейчас программа LabVIEW (8-я версия) стала фактически стандартом в области программных средств обработки сигналов и моделирования сложных устройств.

Сама программа LabVIEW является полностью открытой, т.е. позволяет получить доступ к любым компонентам внутри ее. Она позволяет встраивать ранее созданные программы на языках высокого уровня, работать с библиотеками DLL, является сервером/контейнером ActiveX. Кроме этого, она поддерживает все стандартные протоколы обмена данными между приложениями (DDE, OPC, ODBC/OLE DB/ADO и т.д.), имеет открытую сетевую архитектуру, поддерживает работу различных операционных систем (Windows,

UNIX, Lunux, Mac, LabView Real Time).

Программа LabVIEW как средство прикладного программирования по своей логической структуре близка к конструкции языков высшего уровня. Однако при создании программ в ней используется язык графического программирования (язык G), похожий на объектно-ориентированные языки программирования, привычные для широкого круга пользователей.

Как универсальная система программирования, программа LabVIEW имеет обширные библиотеки для работы с периферийными внешними устройствами, средства обработки, анализа и представления данных.

Виртуальный прибор состоит формально из двух основных частей - лицевой панели, на которой расположен интерфейс оператора, и блока диаграммы, который содержит код программы в графическом виде. LabVIEW является компилятором и позволяет создавать исполняемые модули (файлы

.ехе) и динамические библиотеки (файлы .dll).

Виртуальный инструмент можно использовать при анализе и верификации модели созданной, САПР функционального проектирования. Поэтому комбинирование САПР функционального моделирования и САПР виртуальных инструментов позволяет не только создать модель, но и детально исследовать ее поведение. На базе LabVIEW существуют система технического зрения и управления движением, системы автоматизации технологических процессов. Распределенные системы позволяют решать задачи, когда исследуемые объекты разнесены пространственно, а результаты измерений и обработки данных должны быть доступны большому количеству пользователей. LabVIEW оптимизирована для работы в сетях (Internet/Intranet).

На базе LabVIEW возможно даже построение средств дистанционного обучения. Можно превратить персональный компьютер в современную лабораторную станцию для работы с реальными сигналами, причём по стоимости такая модификация не превысит стоимости персонального компьютера среднего класса.

Система жесткого реального времени LabVIEW Real Time используется в системах сбора/обработки информации/управления, когда требуется жесткий детерминизм и когда обычные операционные системы, такие, как Win-

147

dows, не могут быть использованы.

Инженеру, обладающему минимальными навыками в программировании и достаточными знаниями в своей области, начать работать в программе LabVIEW достаточно просто. Благодаря своей гибкости и масштабируемости, LabVIEW может использоваться на всех этапах процесса: от исследований и разработки до широкомасштабных производственных испытаний.

Недостатком среды LabView является ее явная ориентированность на родное аппаратное обеспечение «National Instruments», которая заключается в упрощённости процедур обращения к этому аппаратному обеспечению из среды программирования. Обращение к платам прочих производителей может состоять из длинных последовательностей совершенно нетривиальных для пользователя операций, что в конечном счете может осложнить применение LabView для отечественного аппаратного обеспечения.

Общие принципы построения программы в LabVIEW. LabVIEW

представляет собой полнофункциональную среду программирования. LabVIEW - это интегрированная среда разработки, которая использует графический язык программирования, язык G, уникальный с точки зрения метода создания и хранения программного кода. В нем нет текстового кода как такового, есть диаграмма, отображающая потоки данных внутри программы. LabVIEW является инструментом для исследователя, который часто пользуются способом визуализации задачи вместо построения программ на языках высокого уровня. Применяя утилиту кодовой связи (CodeLink) можно вставлять DLL-библиотеки, созданные в другой среде, например С или Pascal.

Базовая философия LabView состоит в том, что передача данных между элементами (функциями, узлами, значками, кубиками, кирпичиками или нодами (Node) внутри программы определяет порядок их выполнения. Узлы LabVIEW, виртуальные инструменты имеют входы, обрабатывают данные, поступающие на их входы, и выдают результаты их обработки на выходы. Путем соединения входов и выходов, соответствующих VI, возможно расставить VI в том порядке, в котором необходимо обрабатывать данные.

Web-лаборатория на базе Lab VIEW. Создание современных научных лабораторий требует значительных финансовых затрат на приобретение технических средств, поддержание их в работоспособном состоянии, разработку методических материалов. Представляется более перспективным создание хорошо оснащённых центров коллективного пользования с возможностью удалённого доступа через глобальную информационную сеть. Известные примеры таких центров, называемых также Web-лабораториями, базируются, как правило, на программных симуляторах, реализованных на Java, или на технологии виртуальных инструментов LabVIEW (National Instruments), содержащих встроенный Web-сервер.

Основу серверного компонента Web-лаборатории составляет виртуальный лабораторный стенд, состав и функциональные возможности которого определяют во многом успех научного исследования.

Как правило, традиционная автоматизированная система экспериментальных исследований (АСНИ) комплектуется набором измерительных при-

148

боров и устройств связи с объектом исследования и персональным компьютером (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Исследовательский стенд, укомплектованный традиционными приборами

Замена традиционных измерительных приборов и устройств виртуальными может стать разумной альтернативой при корректном подборе системы, и даже может оказаться экономически выгодным. Технология виртуальных инструментов LabVIEW позволяет создавать на базе встраиваемых в персональный компьютер модулей ввода-вывода полнофункциональные измерительные приборы, технические характеристики которых определяются характеристиками используемых модулей, а возможности обработки результатов измерений, визуализации, регистрации зачастую превосходят возможности традиционных приборов. Схема лабораторного стенда при этом существенно упрощается (рис. 11.3).

149

Рис. 11.3. Виртуальный исследовательский стенд

Реализованная схема соединений обеспечивает возможность изучения простого ввода (вывода) данных через параллельные порты, обмена данными по прерыванию и измерения частотно-временных параметров, измерения аналоговых напряжений и др. Формирование тестовых сигналов и оценка результатов их отработки проектируемой системой осуществляются в реальном времени инструментами виртуального стенда.

Организация удалённого доступа к виртуальным приборам. Все контрольно-измерительные и управляющие устройства находятся «внутри» компьютера и их можно сделать доступными из любой точки земного шара, куда дотянулась «всемирная паутина». Т.е. появляется реальная возможность участвовать в сложных исследованиях, находясь далеко от научной лаборатории. LabVIEW предоставляет несколько способов организации удалённого доступа к виртуальным приборам. Для снижения требований к Интернеттрафику и обеспечения повышенной устойчивости связи может быть реализована следующая схема Web-лаборатории (рис. 11.4).

150