基于Labview開發(fā)的尾門潮汐模擬系統(tǒng)

摘 要：本文介紹了一種在LabVIEW的編程環(huán)境下開發(fā)的潮汐模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LabVIEW編程環(huán)境下多線程的編程思想，實現(xiàn)對不同設備的同時采集和控制；利用狀態(tài)機結(jié)構(gòu)和通知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同線程之間的循環(huán)同步和數(shù)據(jù)交換。尾門潮汐模擬系統(tǒng)可以很好地模擬天然潮汐變化，達到模型試驗的目的。

關(guān)鍵詞：Labview開發(fā)；尾門；潮汐模擬系統(tǒng)

中圖分類號：TM935.3

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。在LabVIEW編程環(huán)境下進行尾門潮汐模擬系統(tǒng)的開發(fā)，可以充分利用LabVIEW固有VI，提高程序開發(fā)的效率。

1 工作原理

雙尾門的潮汐控制系統(tǒng)，是由尾門控制裝置、水位采集儀器和計算機經(jīng)系統(tǒng)集成得到。其工作原理是由尾門控制裝置和控制水位儀組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在計算機的控制下相互配合調(diào)整模型中的水位；潮汐控制系統(tǒng)將驗證水位儀采集的數(shù)據(jù)進行顯示和儲存。尾門控制裝置中配備了潮汐控制箱，可以接收-5V～+5V的電壓信號，控制系統(tǒng)輸出電壓信號是即時輸出的。根據(jù)采集速度和精度需求，系統(tǒng)中配備了兩種型號的水位儀，通訊都采用RS485協(xié)議。

2 軟件結(jié)構(gòu)

本潮汐控制系統(tǒng)，采用模塊化的功能設計。其功能模塊分可以分為尾門控制模塊、水位采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)讀寫儲模塊。各個功能模塊之間相互獨立，僅通過接口變量進行通信。在程序結(jié)構(gòu)設計時，需要將二者相結(jié)合，將每個功能模塊嵌入狀態(tài)機中。潮汐控制系統(tǒng)為了保證尾門控制的有效性和及時性，要求各個狀態(tài)之間的切換時間為250ms，即潮位控制控制算法、RS485通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和保存都必須在250ms內(nèi)完成。

在LabVIEW的編程環(huán)境下，通常采用狀態(tài)機作為控制程序的控制結(jié)構(gòu)。狀態(tài)機編程機制是在一個while循環(huán)內(nèi)，在滿足特點條件的情況下，進入該條件對應的狀態(tài)。在同一時間，只有一個狀態(tài)下的代碼可以被執(zhí)行，因而實現(xiàn)了系統(tǒng)在不同功能下的切換。當while循環(huán)結(jié)束時，狀態(tài)機便停止工作，因此可以通過結(jié)束while循環(huán)的方式，結(jié)束整個程序。

由于驗證水位儀和控制水位儀都是使用RS485協(xié)議的智能設備，并且這兩種水位儀的通信協(xié)議不相同。由于在本系統(tǒng)中采用的RS485協(xié)議的水位儀，采用的都是應答式的工作方式。由系統(tǒng)發(fā)送水位采集指令，水位儀接收到指令后，發(fā)送給控制系統(tǒng)。RS485接口的工作方式是半雙工的方式，因此在程序設計時，需要充分考慮指令發(fā)送和接收、接收以及等待指令的時間。本潮汐控制系統(tǒng)采用了三個線程，一個主控制系統(tǒng)和兩個副線程。主線程內(nèi)進行控制算法的計算以及輸出控制信號，一個副線程進行控制水位的采集、水位顯示和記錄，另一個副線程進行觀測水位的采集、水位顯示和記錄。

3 軟件設計

3.1 總體設計

本系統(tǒng)在LabVIEW的編程環(huán)境下，不同的線程是通過開啟不同數(shù)量的while循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。系統(tǒng)在處理每個循環(huán)的時間不一致，會導致不同循環(huán)的循環(huán)次數(shù)不一樣，進而導致局部變量在不同的線程之間傳遞時，會有延遲的現(xiàn)象。在高速采集的過程中，變量傳遞的延時會導致數(shù)據(jù)的處理、記錄和顯示都出現(xiàn)錯誤，影響系統(tǒng)的性能。而在本程序中，在主循環(huán)中對采集的時間進行控制，副循環(huán)對驗證水位儀的采集進行控制，主循環(huán)的時間和副循環(huán)的控制在時間上必須一致。

而LabVIEW編程環(huán)境中，通知結(jié)構(gòu)可以很好地解決該問題。通知結(jié)構(gòu)可以將主線程中的數(shù)據(jù)，發(fā)送至副線程，主線程每循環(huán)一次，發(fā)送一次。副循環(huán)在接受到主循環(huán)的通知數(shù)據(jù)之后，開始一次循環(huán)，從而實現(xiàn)了不同線程循環(huán)時間的統(tǒng)一。本系統(tǒng)中，主線程通過通知結(jié)構(gòu)發(fā)送給副循環(huán)的變量是“主循環(huán)狀態(tài)”、“程序開始時間”和“循環(huán)結(jié)束”三個量，通過這三個量實現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的傳送和對線程的控制。

3.2 狀態(tài)機設計

3.3 系統(tǒng)的界面設計

LabVIEW編程環(huán)境提供了許多現(xiàn)成的顯示控件供編程者使用，例如進度條控件，布爾量顯示控件、波形圖控件等，大大降低了界面編程的難度。本系統(tǒng)中需要對兩個控制水位儀和三個監(jiān)測水位儀的數(shù)據(jù)進行顯示，每個水位的顯示框內(nèi)都需要顯示目標水位和實際水位。因此，在界面編輯的時候，選用了X-Y波形圖控件。X-Y波形圖控件可以在顯示框內(nèi)顯示若干條曲線，并設置曲線的顏色和數(shù)據(jù)點的類型。系統(tǒng)中，為了顯示的更加清晰，采用1分鐘顯示一個數(shù)據(jù)點，在圖中加重顯示，兩個點之間的部分用圓滑曲線連接，通過顏色的區(qū)別來區(qū)分目標水位和實際水位。編程人員將時間導入一個數(shù)組中，將每個時間點對應的水位數(shù)據(jù)導入一個數(shù)組，將兩個數(shù)組合成為簇并輸入至X-Y波形圖的控件，即完成了數(shù)據(jù)的編輯。X-Y波形圖控件還自帶放大縮小、曲線拖動等功能、數(shù)軸自動變化等功能，使用方便。

系統(tǒng)的運行界面圖如圖2所示。

4 軟件處理流程

5 結(jié)束語

目前，該尾門潮汐模擬系統(tǒng)在交通運輸部天津水運工程科學研究院內(nèi)使用，應用情況表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性以及潮汐控制精度，很好地完成雙面潮汐模擬的任務。與傳統(tǒng)的.net等編程環(huán)境相比較，LabVIEW的編程環(huán)境提供了更多集成好的控件，使得系統(tǒng)在界面美化、編程難度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性上，具有較大的優(yōu)勢；LabVIEW的編程思想符合工業(yè)控制的思想，在編程的流程設計上更加便捷；在編程的速度方面，LabVIEW也具有較大的優(yōu)勢，以控件的拖動代替代碼的編寫，節(jié)約了大量的編程時間。

參考文獻：

[1]劉其奇.流量控制型潮汐控制系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2001，20（05）：38-40.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007，7.

作者簡介：張璇（1985-），女，天津人，助理工程師，工學學士學位，從事行業(yè)軟件系統(tǒng)應用開發(fā)工作。

作者單位：交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456