精讲LabVIEW设计模式

状态机结构
对于一个最简单的状态机结构而言，它是 可以用顺序结构代替的；而对于相对复 杂的状态机结构而言，却可以作为测试 流程的组织者和管理者。
在LabVIEW下实现状态机结构
• While循环+Case结构 • 每一Case即为一个状态 • 当前状态中需有决定下一状态的判定代码 • 使用枚举常量通过移位寄存器传递至下一状态
精讲LabVIEW设计模式
LabVIEW 设计模式 LabVIEW 定时结构 优化LabVIEW程序内存管理 LabVIEW与多线程
调用动态链接库
什么是设计模式？
• 一种LabVIEW程序模板与架构
软件实践中通用的程序架构，其本质是对很多十分类似的问 题进行总结归纳的基础上提炼出的一些具有代表性的软件开 发规范
应用程序启动模式
1、SubVI目录 2、启动应用程序.vi 3、主程序“网络实验系统.vi”
代理模式
“我希望顶层VI（主VI）需要某个子VI时，才将其载入内存” “可以在应用程序中引入迟载入技术”
代理模式
总结
• 设计模式
– 简化LabVIEW开发过程 – 被广泛使用及证明其可用
• 常用的LabVIEW设计模式
在程序中动态调用子VI
——减少程序占用内存以及载入时间
ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 打开VI引用 • 通过引用节点调用 • 关闭引用
1
2
3
配置 VI加载
1
2
数据类型转换
• 强制点表明连接了两种不同的数据类型
– LabVIEW中类型强制转换需要数据备份 – 涉及大数组的类型强制转换会占用大量内存
推荐的类型转换方式
• 更好的解决方式是在随机数创建时进行转换
用户界面事件的两种类型
通知事件 和 过滤事件
事件源：用户界面事件 用户自定义事件
5个函数
用户自定义事件DEMO
事件注册
静态事件注册：只有用户界面事件
选择事件源（程序、VI或控件）、特定事件、编辑 分支处理事件数据。Vi运行时自动注册。
动态事件注册：何时产生何种事件
静态事件注册demo
动态事件注册4个步骤
一个自定义的枚举类型对应一个状 态机中的状态集合
枚举常量举例
控件选板“Modern”
1、枚举控件、指示、常量
2、默认U16
3、修改 Edit Items
4、隐式与显式类型转换
DEMO1
顺序型状态机模式
数据传 递方式
DEMO2
改进的顺序型状态机模式
1、去掉i 2、添加一个移位寄存器
DEMO3
测试流程型状态机
– 避免转换大块数据缓存
(22.7 KB)
(14.3 KB)
把复杂VI分解成多个子VI
• 子vi会增加额外的前面板和框图的空间，但并 不增添额外的代码和数据空间。由于程序运行 时只有代码和数据被调入内存，子vi不会占用 额外的内存。
• 好处是子vi运行结束后，LabVIEW可以及时收回 子VI的数据空间，从而改善内存的使用效率。
1、数据通信采用全局变量、局域变量或共享变量； 2、Stop为Switch模式 3、有时会用到事件发生模块Occurrence
生产者/消费者
“我需要可以同时间执行的两个过程，并且需保 证它们不会互相影响执行速度。”
生产者/消费者
全局变量、局域变量或共享变量的每次复制都是原始数 据的一个副本，占据了大量的空间。实际上只需要使用 一部分缓冲区作为数据存储的中间部分，这需要借助队 列技术。
工具性能分析性能和内存
显示VI内存分配情况的工具
• 帮助分析程序中各个数据变量的内存拷贝情况
– 目标：消除黑点
工具性能分析显示缓存区分配
了解程序内存的使用
演示：监测内存使用
优化 LabVIEW程序内存管理
• 适时选择动态调用子VI • 避免强制类型转换 • 把复杂VI分解成多个子VI • 采用多面板程序 • 没必要时不要设置VI的重入特性 • 合理分配数组内存 • 灵活使用LabVIEW自带的VI • 使用元素同址操作结构In Place Element Structure
3、Deadline：用于指定完成一个循环的时间限定，如未在 指定的时间内完成，则左端数据节点Finished Late?[i-1]返 回真。默认值-1表示Deadline由Period决定。
4、如何处理某次循环使用的时间大于设定的周期？ 是否丢弃丢失的了的循环？是否保持原始相位？
定时循环
定时循环
数组方式DEMO
队列函数方式DEMO
队列函数与数组的不同
1、消息传递方式不同 移位寄存器 & FIFO
2、释放消息队列的方式不同
用户界面事件模式
“我需要轮询用户的操作，但是这样会降低我程 序的运行速度，并且有时我还检测不到……”
LabVIEW中基于事件驱动的编程
LabVIEW事件示例 • 按下鼠标 • 键盘按键 • 前面板的用户交互
– 数据流 – 事件驱动 – 状态机结构 – 生产者/消费者
• 而功能型全局变量（functional global variable） 是为了避免竞争机制而实现的一种非重入型 子vi
定时结构
• 精确的定时 while 循环 • 精确的定时顺序结构 • 多个时钟频率的定时 • 反馈, 动态定时特性 • 多优先级设置 • examples\general\timedloop.llb
初始化时不 再需要用户 自定义事件
其他模式
“我希望同一时刻能够处理多个消息事件，而不 是下一个消息代码必须等待上一次响应完成后才 能执行”
“我不希望消息排队，等待很烦的，有时采集数据和 记录数据应该同时进行的”。
主从线程模式
通常应用于具有多个 同时发生的并且拥有 不同运行速率的线程 的程序中。比如采集 电压同时写入磁盘， 采集速率1KHz，记录 则每5秒一次。
答：“采用VI属性和方法接口，足以使你控制后台运行的VI”
例子：一个网络服务监听程序，程序只需要接收与客户端Sockets 的连接，实现三次握手，连接完成后将引用交给前端应用程序处理， 同时继续监听。
后台服务模式
后台服务模式
应用程序启动模式
“我想设计一个启动画面，同时显示应用程序加载的进度，加载 完毕后退出启动画面，运行主程序”
定时顺序结构
类似添加内置定时功能的顺序结构
定时循环
1、优先级：相对同一个程序框图中的多个定时循环 而言，优先级数大的循环优先执行。每一个定时循 环都有自己的线程，这里的优先级即线程优先级。
2、循环名称，对于可重入子VI中包含定时循环，且 该子VI的多个实例出现在同一个程序框图中，可以将 循环名称作为子VI的输入端子。
1、解决顺序型状态机不便阅读和修 改的问题，采用枚举型常量。
2、采用自定义型控件，方便修改。
over
消息队列模式
“我需要执行一系列的事件步骤，但是步骤顺序可通过 编程决定的。”
步骤是由用户界面事件决定的，如某个应用程序共要处 理4个状态，分别是A，B，C和D，前面板有3个按钮分别 控制3种运行时的状态序列ABCD、DCAB和BDCA。
基本工具
• 循环结构 • 移位寄存器 • 分支结构 • 枚举型常量 • 事件结构
状态机模式
“我需要执行一系列的事件步骤，但是步骤顺序 可通过编程决定的。”
自动贩卖机模型
Initialize
No input
Change Requeste
d
Change
Quarter Deposited
Wait
Nickel Deposited Dime Deposited
工作流程
Case结构对每一状态都配备 一个分支
移位寄存器用于传递状态
初始状态
枚举常量
切换代码根据执行步骤中的结果来 决定下一状态
FIRST STATE
执行步骤
切换代码
下一状态
枚举常量
枚举类型是一种允许程序员自定义 元素的数据类型，它可以显示数值对应 的具体含义，帮助程序员理解程序中使 用的变量值。
采用多面板程序
• 通过多面板程序实现只有在必要时才显示某些 窗口，因为界面显示是最费内存的，因此这样 可以极大降低内存的消耗。
没必要时不要设置VI的重入特性
• 重入型vi每次运行时都会对自己使用的数 据生成一个副本，这增加了内存开销
合理分配数组内存
• 过多进行内存重新分配占用很大开销 • 慎用可能导致内存重新分配的相关函数
• 变量 • 通知器 • 队列 • 信号量 • 集合
队列
在队列中添加元素
选择队列中元素的数据类型 Reference to existing queue in memory
从队列中释放元素
出列操作需要等待数据进入或者超时情况
生产者 / 消费者循环
后台服务模式
问：“我需要程序在后台运行，不要前面板，不要交互”
演示：定时循环
演示：定时循环
可具体手动设置定时循环运行的核
设置定时循环运 行的指定核
可具体手动设置定时循环运行的核
定时顺序结构Timed Sequence 含帧的定式循环Timed Loop with Frames
为什么要优化LabVIEW程序内存管理
• LabVIEW的自动管理内存特性
• 具有灵活的配置功能 • 被广泛使用
使用设计模式的益处
简化整个开发过程
– 更容易理解程序代码 – 代码可重用
可靠性
– 被使用多年，被证明其“可用并可靠” – 大量技术资源与例程
使用设计模式注意事项
1、不是一成不变的定律，既要知道有哪 些设计模式，还要知道每种模式解决实 际应用中的哪些问题，是如何解决的， 效果如何？
Quarter
Total < 50
Total >= 50
Total < 50
Total < 50
Dime
Total >= 50
Nickel
Total >= 50
Total > 50
Vend
Exit
Total = 50
基本三要素：
状态、事件、动作
背景
静态顺序结构
动态结构：允许不同的状态，按通过编程决定的顺序进 行执行
– 方便用户开发，满足一般应用需求
• LabVIEW应用程序趋向大型化，复杂化
– 项目规模大，需求复杂 – 数据处理量大，性能要求高
• 好的编程风格帮助LabVIEW优化内存管理
– 可以显著提高程序运行效率 – 需要了解LabVIEW的内存分配机制
监测VI内存占用和运行时间的工具
• 帮助定位和分析程序中的瓶颈部分
数据流入
存储单元
数据流出
生产者/消费者具体做法 最简单模式
在LabVIEW下实现生产者/消费者
• 无数据相关的多个循环 • 主 / 从关系 • 在循环间实现通讯与同步
工作流程
• 主循环负责通知各个从循环 是否执行
• 允许循环间异步执行 • 数据的非相关性实现多线程 • 程序过程分解
实现循环间的数据通讯
LabVIEW 事件结构
• 什么是事件结构?
– 带有多个子框图的结构节点， 就像条件结构
• 事件结构是如何工作的?
– 当面板上事件发生时才被唤醒 – 自动执行相应事件框图内的事件代码 – 当处理完成相应事件后便结束，并不一直循环等
待
为什么要使用事件结构 ？
• 用更简单的事件处理替代原来的查询循环 • 最小化 CPU 的使用 • 不会遗漏用户界面交互事件 • 可检测更多的交互事件 • 编程生成您自己的事件
– 创建数组 – 连接字符串
演示：编程方法影响程序性能
总在开辟新内存，必定时间长
演示：编程方法影响程序性能
循环次数并非事先指定，因此每次循环也会开 辟新的内存，但节省了Build Array函数的时间。
演示：编程方法影响程序性能
循环无需开辟新的内存，时间会明显减少。
2、文本式编程语言中广泛使用的设计模 式在图形化数据流编程中的应用问题。
注意！
有些时候你没有必要选用最 复杂的设计模式
不要忘记最常见的设计模式 ——数据流！
LabVIEW设计模式
通用型：状态机模式、
消息队列模式、 用户界面事件模式
专用型：主从线程模式、
生产/消费模式、 后台服务模式、 应用程序启动模式、 代理模式
引入消息队列模式，通过建立队列缓冲区来解决这个问 题，这种模式也称为“队列型状态机模式”。
消息处理过程
建立消息队列
消息源
加入消息
探测消息
No
EXIT？
Yes 销毁消息队列
删除消息
接收消息 执行代码
队列建立方式 队列函数和数组
队列函数
最常用的 4个函数
数组 1、数组函数 2、配合移位寄存器 3、无需手动销毁队列空间
1、获取要处理事件对象的VI服务器引用； 2、将VI服务器引用连接至“注册事件”函数； 3、将事件结构放在While循环中，等待处理 对象事件直到终止条件出现；
4、通过取消注册时间函数停止事件发生。
动态事件注册demo
最值器
用户界面事件demo 一个动态+5个静态
状态机——用户界面事件混合demo