《LabVIEW 程序設(shè)計(jì)教程》課件第17章 油門控制系統(tǒng)

第17章油門控制系統(tǒng)引子你開過車嗎？聽過這些關(guān)鍵詞嗎？離合器油門踏板剎車油門控制系統(tǒng)壓力變化數(shù)據(jù)采集計(jì)算踩踏量步進(jìn)電機(jī)修正指示燈修正信號生成17.1項(xiàng)目目標(biāo)本次項(xiàng)目要求用應(yīng)變橋傳感器、步進(jìn)電機(jī)、編碼器和指示燈設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車油門控制系統(tǒng)的模擬。要求實(shí)現(xiàn)：當(dāng)油門踏板被踩下或松開后，汽車轉(zhuǎn)速有變化，并有相應(yīng)指示。本次項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)模擬油門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如下要求：（1）應(yīng)變梁所受壓力的變化來表征當(dāng)前油門踏板的踩踏量。壓力越大，表示踩踏量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量越大，則汽車速度越快。（2）根據(jù)應(yīng)變橋輸出電壓的大小控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低。用光電編碼器來測速。（3）使用多個(gè)發(fā)光二極管垂直（橫向）排列，作為當(dāng)前油門踏板踩踏量的變化的指示或者說表征當(dāng)前車輪轉(zhuǎn)速高低(或者說發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的多少)。通過本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施，要求學(xué)生：（1）掌握使用NI-DAQmx實(shí)現(xiàn)多任務(wù)（模擬信號采集、數(shù)字信號輸出、角度測量）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)；（2）了解雙循環(huán)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞；（3）了解主從結(jié)構(gòu)、掌握生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)的使用。17.2項(xiàng)目分析由項(xiàng)目目標(biāo)知本項(xiàng)目涉及的相關(guān)傳感器有：應(yīng)變橋傳感器、步進(jìn)電機(jī)、編碼器和發(fā)光二極管。用應(yīng)變橋傳感器輸出變化來模擬油門踏板的踩踏量；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來模擬車速，編碼器來檢測速度快慢；用六個(gè)發(fā)光二極管來提示進(jìn)氣量的大?。ɑ蛩俣瓤炻?；其中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與應(yīng)變橋所受壓力的關(guān)系為：（1）當(dāng)壓力增大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，期間，編碼器讀取已發(fā)脈沖數(shù)值，判定轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的最大值。發(fā)光二極管隨著進(jìn)氣量的增大，其點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)逐漸增多，到全亮；當(dāng)超過規(guī)定的進(jìn)氣量（車速），則六個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行閃爍作為報(bào)警。（2）當(dāng)壓力變小時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小直到0。發(fā)光二極管隨著進(jìn)氣量的減小，其點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)逐漸減少，到全滅。（3）當(dāng)壓力為0且無任何操作時(shí)，發(fā)光二極管不亮。本項(xiàng)目相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)已在前面的章節(jié)中說明，從以上的項(xiàng)目分析中知：在軟件設(shè)計(jì)中同時(shí)需涉及模擬量的輸入（應(yīng)變傳感器信號檢測）數(shù)字量的輸出（步進(jìn)電機(jī)控制、發(fā)光二極管的亮滅）計(jì)數(shù)器輸入（編碼器檢測步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度）在完成整個(gè)程序設(shè)計(jì)前可以首先完成對各部分的軟硬件調(diào)試，繼而對其進(jìn)行整合。整個(gè)程序架構(gòu)可考慮用狀態(tài)機(jī)、生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)等。17.3項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)17.3.1生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)17.3.2前面板設(shè)計(jì)17.3.3程序框圖設(shè)計(jì)1．雙循環(huán)結(jié)構(gòu)2．生產(chǎn)者消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式17.3項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)在前幾章項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中多采用了狀態(tài)機(jī)架構(gòu)或帶事件結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，無論哪一個(gè)在任何時(shí)刻只能有一個(gè)狀態(tài)在運(yùn)行。大多數(shù)比較復(fù)雜的應(yīng)用至少應(yīng)該有“菜單”和“采集”兩個(gè)狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)采集程序在運(yùn)行時(shí)仍然希望系統(tǒng)能夠處理菜單的事件，這是在傳統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)或者事件結(jié)構(gòu)中無法實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)闊o論是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)還是事件結(jié)構(gòu)，都是由一個(gè)循環(huán)組成的，不同的狀態(tài)是無法同時(shí)被響應(yīng)和處理的。因LabVIEW本身就是一種多線程的程序設(shè)計(jì)語言，要解決這個(gè)問題是比較簡單，如可以再加一個(gè)循環(huán)或者另外開一個(gè)程序獨(dú)立運(yùn)行。但是這樣也會帶來一些新的問題，比如：（1）兩個(gè)循環(huán)（程序）之間如何交換和共享數(shù)據(jù)。（2）兩個(gè)循環(huán)（程序）都有著獨(dú)立的錯(cuò)誤處理系統(tǒng)，它們之間是如何協(xié)調(diào)的。（3）兩個(gè)循環(huán)如何分工呢？應(yīng)該以哪種方式對狀態(tài)進(jìn)行分類以將不同的狀態(tài)放置在不同的循環(huán)（程序）中？（4）一個(gè)程序如何控制另一個(gè)程序的運(yùn)行和停止。本項(xiàng)目首先使用“多循環(huán)”來解決程序并行運(yùn)行的問題，兩個(gè)循環(huán)采用全局變量或局域變量進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享。但當(dāng)兩個(gè)循環(huán)執(zhí)行的速率不相等時(shí)，必然會造成數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)。多循環(huán)之間可能使用LabVIEW提供的隊(duì)列操作函數(shù)，在數(shù)據(jù)的發(fā)送者和接受者之間建立一條緩沖通道，這樣就避免了循環(huán)不同步所帶來的影響，即生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)。17.3.1生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)

NILabVIEW中提供了六種最基本的設(shè)計(jì)模式：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)、隊(duì)列消息處理器、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（事件）、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)）、用戶界面事件處理器、主/從設(shè)計(jì)模式。其中狀態(tài)機(jī)和生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式應(yīng)用最為廣泛，而主/從設(shè)計(jì)模式與生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式結(jié)構(gòu)上極為相似，兩者的區(qū)別就是通知器和隊(duì)列之間的區(qū)別；本小節(jié)主要介紹生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。生產(chǎn)者消費(fèi)者模型如同生活中的供水系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)產(chǎn)生/采集端（供水局）產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，并不直接向終端用戶供水，因?yàn)榍罢弋a(chǎn)生水的速率與后者消耗水的速率并不相同。此時(shí)需要建造蓄水池將供水局產(chǎn)生的水放入到蓄水池中，同理獲取的數(shù)據(jù)也放入該緩沖區(qū)中。當(dāng)終端用戶需要用水時(shí)，直接從蓄水池中獲取就可以了，同理在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析時(shí)直接從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲取就可以了。LabVIEW中的隊(duì)列函數(shù)提供了一種很好的方式規(guī)避了這個(gè)問題，由于隊(duì)列中的元素是“先進(jìn)先出”的，因此確保了接收到的數(shù)據(jù)是有序的。在LabVIEW的隊(duì)列操作中（元素入隊(duì)列和元素出隊(duì)列函數(shù)），提供了timeout選項(xiàng)以處理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的溢出或不足。當(dāng)數(shù)據(jù)溢出時(shí)，元素入隊(duì)列函數(shù)（數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列）將停止發(fā)送數(shù)據(jù)（處于等待狀態(tài)），直到緩沖區(qū)存在數(shù)據(jù)空間或者達(dá)到了timeout設(shè)置的時(shí)間；而當(dāng)數(shù)據(jù)不足時(shí)，元素出隊(duì)列函數(shù)（數(shù)據(jù)流出隊(duì)列）將停止接收數(shù)據(jù)（處于等到狀態(tài)），直到緩沖區(qū)進(jìn)入了新的數(shù)據(jù)或者達(dá)到了timeout設(shè)置的時(shí)間。值得注意的是，使用隊(duì)列最后一定要用釋放隊(duì)列引用函數(shù)將內(nèi)存釋放，否則程序會因內(nèi)存泄露而報(bào)警?；谑录纳a(chǎn)者/消費(fèi)者模式與基于數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式?jīng)]有本質(zhì)上的區(qū)別，只是數(shù)據(jù)的來源不同?；谑录纳a(chǎn)者/消費(fèi)者模式是用戶在前面板上進(jìn)行操作，從而觸發(fā)了生產(chǎn)者中的事件結(jié)構(gòu)。獲取隊(duì)列引用函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給元素入隊(duì)列函數(shù)，通過隊(duì)列的執(zhí)行順序關(guān)系，元素出隊(duì)列函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給消費(fèi)者，執(zhí)行相應(yīng)的程序。17.3.2前面板設(shè)計(jì)油門控制系統(tǒng)前面板如圖17-5所示。使用波形圖表查看測得的應(yīng)變量。使用儀表控制查看速度，用6個(gè)布爾控制指示速度等級，當(dāng)超速時(shí)6個(gè)布爾控制一起閃爍進(jìn)行報(bào)警。17.3.3程序框圖設(shè)計(jì)1．雙循環(huán)結(jié)構(gòu)

當(dāng)用手指按壓應(yīng)變橋懸臂梁，壓力越大(進(jìn)氣量大)，電機(jī)轉(zhuǎn)速（車速）越快，亮燈盞數(shù)越多；當(dāng)減小壓力（進(jìn)氣量）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速（車速）減緩，指示燈盞數(shù)減少。2．生產(chǎn)者消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式雙循環(huán)中可以利用全局變量或局部變量傳遞數(shù)據(jù)，但是當(dāng)兩個(gè)循環(huán)執(zhí)行的速率不相等時(shí)，會造成數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)。因此可以考慮用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式，盡管本系統(tǒng)是相對較為簡單的數(shù)據(jù)處理，使用生產(chǎn)著消費(fèi)者模式，有一點(diǎn)點(diǎn)大材小用，但對于該程序設(shè)計(jì)模式進(jìn)一步深入了解掌握是有好處的。生產(chǎn)者負(fù)責(zé)采集應(yīng)變梁的應(yīng)變信號，使用隊(duì)列函數(shù)傳遞踩踏量，傳遞至消費(fèi)者循環(huán)，在消費(fèi)者循環(huán)中，根據(jù)踩踏量，做相應(yīng)處理。思考題17-1同步VI和函數(shù)除了隊(duì)列還有哪些？17-2LabVIEW有