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LabVIEW與MATLAB混合編程
摘要：結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹了LabVIEW通過ActvieX自動(dòng)化技術(shù)與MATLAB進(jìn)行混合編程，達(dá)到了利用MATLAB優(yōu)化算法庫的目的。將LabVIEW與MATLAB有機(jī)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(dòng)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(jiǎn)化了過程控制和測(cè)試軟件的開發(fā)。MATLAB以其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫，已在為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。但才者各有欠缺，利用混合編程可以相互補(bǔ)充。
MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的“演算紙”式的程序設(shè)計(jì)語言。它提供了強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和圖形處理功能，編程效率高，幾乎在所有的工程計(jì)算領(lǐng)域都提供了準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)開放型的開發(fā)環(huán)境，使用圖標(biāo)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(dòng)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(yuǎn)程應(yīng)用程序通信。在對(duì)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(jìn)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?yàn)槠渫庑魏筒僮骺梢阅M實(shí)際的儀器。在對(duì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)LabVIEW和MATLAB的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。
圖1
1 基本原理
ActiveX自動(dòng)化是基于組件對(duì)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(gè)應(yīng)用程序或組件的運(yùn)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)。通過使用MATLAB自動(dòng)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(jìn)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(qiáng)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(jì)用戶圖形界面，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信；MATLAB在后臺(tái)提供大型算法供LabVIEW調(diào)用。
2.1 方法一：使用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)
為了簡(jiǎn)化調(diào)用過程，LabVIEW提供了MATLAB Script節(jié)點(diǎn)。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)一個(gè)MATLAB進(jìn)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(jìn)行選擇。
當(dāng)開發(fā)涉及工業(yè)控制的應(yīng)用程序時(shí)，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(gè)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(gè)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(jìn)行仿真測(cè)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(diǎn)導(dǎo)入MATLAB腳本；也可以直接在MATLAB Script節(jié)點(diǎn)中編寫。位于Function>>Mathematics>>Formula模板中的MATLAB Script節(jié)點(diǎn)可以導(dǎo)入MATLAB腳本。圖1中的腳本程序使用CASE語句進(jìn)行傳遞函數(shù)和訓(xùn)練算法的選擇。MATLAB Script節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型是二維實(shí)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(diǎn)輸入、輸出變量的數(shù)據(jù)類型
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(dāng)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(cè)值，而不必重新調(diào)用MATLAB。這樣程序的運(yùn)行效率會(huì)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(gè)子VI，作為模塊保存，當(dāng)需要更新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以隨時(shí)調(diào)用。
雖然通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信比較易于實(shí)現(xiàn)，但以這種方式調(diào)用MATLAB時(shí)，在任務(wù)欄中將出現(xiàn)一個(gè)MATLAB圖標(biāo)，單擊該圖形會(huì)打開MATLAB窗口，在其中可以任意輸入。通常，這會(huì)干擾前臺(tái)程序的運(yùn)行，甚至造成程序的崩潰。另一方面，當(dāng)MATLAB Script節(jié)點(diǎn)中的腳本執(zhí)行完后，MATLAB也不能自動(dòng)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(gè)對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)符，對(duì)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(duì)象的臨時(shí)指針，因此它僅在對(duì)象被打開時(shí)有效，一旦對(duì)象被關(guān)閉，LabVIEW就會(huì)自動(dòng)斷開連接。為了獲得對(duì)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(duì)象，然后在代碼中調(diào)用對(duì)象擁有的方法和屬性。當(dāng)不再需要對(duì)象時(shí)，可以隨時(shí)釋放。
LabVIEW可以調(diào)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(diào)用MATLAB執(zhí)行一個(gè)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(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(shù)組。Name為數(shù)組名，Workspace標(biāo)識(shí)包含數(shù)組的工作空間，其默認(rèn)值是“base”。Pr了所提取數(shù)組的實(shí)部，pi包含了所提取數(shù)組的虛部，它們?cè)?font color=#800080>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(shí)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(gè)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(dāng)Visible為1時(shí)，MATLAB窗口顯示在桌面上；當(dāng)Visible為0時(shí)，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(jì)算表達(dá)式B=A.*3（即A的每個(gè)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(biāo)。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(jì)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(shí)現(xiàn)。
首先必須引用自動(dòng)化對(duì)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(shè)置控件的Visible屬性為False，從對(duì)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(duì)應(yīng)的圖標(biāo)為MLApp.DIMLApp。為了簡(jiǎn)化訪問自動(dòng)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(dòng)MATLAB自動(dòng)化服務(wù)器，并將引用傳遞給其它節(jié)點(diǎn)，如屬性節(jié)點(diǎn)（Property Node）、調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)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(huì)自動(dòng)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(shí)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(gè)元素與3相乘，計(jì)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(shí)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(yùn)行程序，可以看到MATLAB一經(jīng)啟動(dòng)，任何標(biāo)上底圖標(biāo)例立即消失，計(jì)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(jìn)行擴(kuò)充。
圖2
2.3 兩種調(diào)用方法的比較
（1）MATLAB Script節(jié)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(diào)試。無誤后再導(dǎo)入到MATLABSeript節(jié)點(diǎn)中。MATLAB Script節(jié)點(diǎn)對(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)的方法，快捷方便，但不利于較大的應(yīng)用程序開發(fā)。當(dāng)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(shù)模的方法，具有對(duì)MATLAB更強(qiáng)的控制能力。如隨時(shí)打開和關(guān)閉MATLAB，隱藏在務(wù)欄中的MATLAB圖標(biāo)，與MATLAB進(jìn)行字符數(shù)組傳輸，這些都是MATLAB Script節(jié)點(diǎn)都不具有的。使用ActiveX函數(shù)模板時(shí)，經(jīng)常 會(huì)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(dāng)高用大型算法時(shí)，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(dòng)MATLAB自動(dòng)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(diǎn)之一的程序并行運(yùn)行機(jī)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)處理其它的用戶操作�？傊�，兩種調(diào)用方法其自身的優(yōu)勢(shì)和不足。在開發(fā)一個(gè)大的復(fù)雜應(yīng)用程序時(shí)，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(cè)試儀器開發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)、測(cè)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(jià)比，節(jié)省投資，但于設(shè)備更新和功能擴(kuò)充。如果能利用MATLAB功能強(qiáng)大的算法庫，可望開發(fā)出更具智能化的虛擬儀器，將會(huì)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。
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