2012.09.26 Лабы LabVIEW

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Е. С. Якушенко, И. C. Саламонова, А. Н. Калиниченко, А. П. Немирко

Программирование алгоритмов анализа биомедицинских сигналов в среде

LabVIEW

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2012

УДК 681.2:57.089

Программирование алгоритмов анализа биомедицинских сигналов в среде LabVIEW: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: Е. С. Якушенко, И. C. Саламонова, А. Н. Калиниченко, А. П. Немирко. СПб.: Издво СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 62 с.

Содержат описания лабораторных работ по созданию виртуальных приборов, предназначенных для автоматического анализа биомедицинских данных, с использованием среды графического программирования LabVIEW.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Биотехнические системы и технологии», а также может быть полезно научным работникам и инженерам, специализирующимся в области компьютерной обработки биомедицинских сигналов и данных.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

2

ВВЕДЕНИЕ

Воснову цикла лабораторных работ, представленных в данных методических указаниях, легли дипломные проекты студентов кафедры БТС СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Цикл включает шесть работ и рассчитан на выполнение

втечение одного учебного семестра.

Врезультате выполнения лабораторных работ студенты должны освоить работу с популярной средой программирования LabVIEW, а также получить представление о наиболее широко используемых методах и алгоритмах автоматической обработки биомедицинских сигналов и данных.

Вметодических указаниях лабораторные работы построены таким образом, что вопросы, которые будут иметь место в последующих работах, подробно рассматриваются в предшествующих. Поэтому рекомендуется в ходе учебного процесса придерживаться представленного порядка выполнения работ.

Цикл рассчитан на интенсивное освоение учащимися возможностей среды программирования LabVIEW и приемов работы с ней, а также на знакомство с базовыми сведениями о методах автоматической обработки сигналов. Для успешного выполнения работ учащимися может потребоваться использование дополнительных учебных пособий (см. список литературы).

Перед тем как приступать к выполнению работ, необходимо внимательно ознакомиться с разделом «Общие указания», в котором приведены наиболее важные предварительные сведения и рекомендации.

3

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Цикл работ рассчитан на использование среды графического программирования LabVIEW 8.5. Кроме того, для выполнения работ необходим комплект файлов с записями реальных электрофизиологических сигналов и библиотек функций (см. приложение).

Для успешного выполнения лабораторных работ необходимо предварительное ознакомление с рассматриваемыми методами обработки биомедицинских сигналов, а также внимательное выполнение задания каждой лабораторной работы.

Важно, чтобы учащиеся с первых же занятий освоили такие базовые элементы среды LabVIEW, как создание и использование виртуальных приборов. Желательно, чтобы учащиеся располагали каким-либо из учебников по среде LabVIEW (см. список литературы).

Для оформления отчетов по выполненным работам учащиеся должны по окончании каждой работы сохранять результаты в виде файлов на устройствах флэш-памяти, которые учащимся необходимо иметь с собой на каждом занятии.

Содержание отчета:

1.Название, цель и задачи работы

2.Основные положения работы

3.Распечатка интерфейсных панелей (с рассчитанными значениями и построенными графиками) и окон редактирования диаграмм

4.Расчётные значения и графики, которые требовалось получить в ходе выполнения работы

5.Выводы по результатам выполнения работы

4

1. СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ В СРЕДЕ LABVIEW

Цели работы: получение первоначальных навыков работы со средой графического программирования LabVIEW; освоение методов выполнения простейших вычислений и отображения данных.

Основные положения

Среда графического программирования LabVIEW – это мощное и удобное средство программирования, которое широко используется для автоматизации и управления в промышленности, а также в научных исследованиях.

В основе программирования в LabVIEW лежит понятие «Виртуальных приборов» (Virtual Instruments, VI) , которое аналогично понятию «функция» в других языках программирования, например C++. Любая программа представляет собой виртуальный прибор (ВП), который состоит из двух частей – «лицевая панель» (Front Panel) и «блок-диаграмма» (Block Diagram). Лицевая панель представляет собой интерфейс ВП, на котором расположены различные элементы управления и индикации.

Виртуальный прибор может обладать входными и выходными данными, которые могут вводиться и отображаться на лицевой панели ВП. В LabVIEW предусмотрена возможность использования уже готовых виртуальных приборов при создании новых ВП. Виртуальные приборы, которые используются при построении новых, называются «субВП». При этом субВП помещается на диаграмму и отображается в виде иконки. Элементы управления субВП назначаются входными терминалами, а элементы индикации выходными терминалами. С помощью субВП удобно хранить отдельные смысловые блоки диаграммы, а также многократно используемые в разных местах программы фрагменты блок-схемы. Использование субВП улучшает читабельность диаграммы, увеличивает скорость разработки, снижает вероятность ошибок, структурирует ВП и т.д.

При разработке ВП используется принцип «потока данных» (Data Flow), который заключается в том, что данный ВП начинает выполняться тогда, когда на его входы поступили все необходимые данные.

Задание

• Создать виртуальный прибор, осуществляющий простейшие арифметические вычисления и отображающий результат этих вычислений

5

•Создать субВП для расчета значений периодической функции, отобразить график этой функции

•Создать субВП для расчета значений периодической функции, соответствующей вашему варианту и отобразить её график.

Порядок выполнения работы Создание ВП, для вычисления простейших операций

1.Создайте папку, в которой будут храниться ВП данной лабораторной работы.

2.Запустите LabVIEW 8.5. При открытии окна «Getting Started» для создания нового ВП выберите пункт «Blank VI». После этого на экране появятся два окна, представляющих собой лицевую панель (Front Panel) и блок-

диаграмму (Block Diagram).

3.Сохраните ВП в вашей папке под именем «1.vi».

4.При редактировании ВП мышь может выполнять целый

набор функций. Для того чтобы установить автоматический выбор функции мыши нажмите в верхней части любого окна ВП пункт меню «View >> Tools Palette» и во всплывшем окне

«Tools» выберите пункт «Automatic Tool Selection».

5.Перейдите к окну редактирования диаграмм. Для быстрого переключения между окном лицевой панели ВП и окном редактирования диаграмм нажмите сочетание клавиш «Ctrl+E». Для того чтобы открыть палитру функций нажмите пункт меню окна «View >> Functions Palette», либо нажмите правую кнопку мыши.

6.Для реализации сложения двух чисел разместите на блок-диаграмме функцию «Add». Для этого откройте в палитре функций раздел (Functions >> Programming >> Numeric). Найдите в ней функцию «Add», затем перетащите её с помощью мыши на диаграмму. В этом разделе находятся функции для выполнения простейших операций с числами такие как, сложение, вычитание, умножение, деление, операция взятия числа по модулю, получение обратного числа и др.

7.Откройте окно редактирования лицевой панели. Для того чтобы открыть палитру элементов управления нажмите пункт меню окна «View >> Controls Palette», либо нажмите правую кнопку мыши.

8.Для того чтобы установить на лицевой панели элемент для ввода чисел выберите элемент «Numeric Control» в палитре элементов управления в раз-

6

деле (Controls >> Modern >> Numeric) и перетащите его мышью на лицевую панель.

9.Установите второй элемент управления для ввода чисел.

10.Установите аналогичным образом элемент индикации численного значения «Numeric Indicator» (Controls >> Modern >> Numeric).

11.Для того чтобы переименовать элементы управления и индикации дважды щелкните мышью на тексте над элементом и введите новый текст, назовите элементы соответственно «x1», «x2» и «Результат 1».

12.Откройте окно редактирования диаграмм. Для того чтобы соединить элементы между собой, необходимо подвести мышь к входному/выходному терминалу какого-либо элемента или функции, нажать левую кнопку мыши, и не отпуская её, переместить курсор к другому терминалу, с которым необходимо произвести соединение. Соедините в окне диаграмм элементы между собой таким образом, чтобы на входные терминалы «Add» были поданы значения элементов «x1» и «x2», а выходной терминал был соединен с элементом «Результат 1».

13.Для того чтобы вычисления выполнялись

многократно, разместите на диаграмме цикл, останавливающийся по условию, «While Loop»

(Functions >> Programming >> Structures). При установке цикла выделите им созданную вами схему в окне диаграмм, либо установите его, и затем перенесите схему внутрь него.

14.Для обеспечения остановки цикла по нажатию на кнопку создайте и подсоедините к терминалу остановки цикла кнопку «Stop Button» (Controls >> Modern >> Boolean).

15.Перейдите в окно лицевой панели. Введите в «x1» и «x2» два любых

числа и запустите программу, нажав на кнопку запуска ВП «Run» в верхней части окна. Если программа выполнена без ошибок, то на элементе «Результат» должна отобразиться сумма введенных чисел. Для остановки про-

7

граммы нажмите кнопку «Stop». Для экстренной остановки любого ВП необ-

ходимо нажать кнопку «Abort Execution» .

16.Одним из важнейших свойств элементов управления и индикации является значение по умолчанию (default value), которым инициализируется значение элемента каждый раз при повторном запуске программы. Для установки значений по умолчанию у элементов управления «x1» и «x2» задайте им необходимые значения, затем вызовите на них контекстное меню и выбе-

рите пункт меню «Data Operations >> Make Current Value Default». Сохраните ВП, закройте его и откройте снова. Убедитесь, что элементы управления проинициализированы именно теми значениями, которые вы им назначили по умолчанию.

17.Для настройки диапазона вводимых значений элемента управления вызовите на нем контекстное меню, нажмите пункт «Properties», выберите вкладку «Data Entry». Снимите галочку с пункта «Use Default Limits», после чего появится возможность установить новые границы диапазона вводимых значений. Установите для элемента «x1» диапазон значений [-100; 100], а для x2 – [-200; 200].

18.Сохраните и запустите программу, убедитесь, что в элементы управления можно ввести только те значения, которые лежат в пределах назначенного диапазона.

19.Для реализации умножения двух чисел разместите на диаграмме функ-

цию «Multiply».

20.Очень важным и удобным инструментом создания элементов управления, индикации и констант для любых терминалов ВП является контекстное меню. Контекстное меню создает элементы с типом данных, соответствующим выбранному терминалу. Для создания элементов управления функцией «Multiply» у каждого её входного терминала вызовите контекстное меню и выберите пункт «Create >> Control». Для создания численного индикатора результата выполненных математических операций вызовите у выходного терминала «Multiply» контекстное меню и выберите пункт «Create >>

Indicator».

21.Сохраните ВП. Запустите его и убедитесь, что операция умножения двух чисел осуществляется корректно.

8

Создание субВП для расчета значений периодической функции и отображение графика этой функции.

22.Создайте новый ВП и сохраните его в вашей папке под именем

«Function 1. vi».

23.Для расчета значений периодической функции, представленной формулой (1), разместите на диаграмме, цикл «For Loop» (Functions >> Programming >> Structures), который выполняет заданное количество итераций.

частота периодического сигнала, – начальная фаза.

24.Для определения объема массива значений функции для входного терминала «N» цикла «For Loop» создайте элемент управ-

ления, назовите его «Size», назначьте ему значение по умолчанию 1000. Построение схемы функции будет осуществляться внутри цикла «For Loop».

25.Для создания временного аргумента t для cos поместите на диаграмму функцию «Compound Arithmetic» (Functions >>

Programming >> Numeric), которая позволяет вы-

полнить некоторые операции над несколькими входными значениями. Для назначения операции

умножения нажмите на знак математической операции на этой функции и выберите «Change Mode >> Multiply». Растяните на диаграмме значок «Compound Arithmetic» так, чтобы назначить для функции 4 входных аргумента.

26.Подайте на первый входной терминал «Compound Arithmetic» значение номера итерации с выходного терминала «i» цикла «For Loop».

27.Создайте численный элемент управления частотой дискретизации, назовите его «Fd». Разместите его вне цикла «For Loop» и назначьте ему значение по умолчанию 250. Для расчета периода дискретизации установите на диаграмме функцию взятия обратного числа «Reciprocal», рассчитайте с помощью неё значение периода дискретизации и подсоедините его ко второ-

му входному терминалу «Compound Arithmetic».

9

28.Для управления частотой сигнала создайте численный элемент управления, назовите его «f», разместите его вне цикла «For Loop», назначьте значение по умолчанию 1. Подсоедините его к третьему входному терминалу.

29.Установите константу со значением «2π» (Functions >> Programming >> Numeric >> Math & Scientific Constants) и подсоедините её к 4-му вход-

ному терминалу «Compound Arithmetic».

30.Поместите на диаграмме

функцию «Cos» из палитры тригонометрических функций

(Functions >> Programming >>

Trigonometric Functions).

31.Для того чтобы сложить время сигнала и его фазу, поместите на диаграмме функцию «Add». Для первого входного терминала «Add» создайте элемент управления в виде горизонтального ползунка «Horizontal Pointer Slide» (Controls >> Modern >> Numeric >> Numeric Indicator). Поместите его вне цикла «For Loop», назовите его «Фаза» и задайте ему диапазон значений [-3.14; 3.14]. Ко второму входному терминалу «Add» подсоедините выход «Compound Arithmetic». Сформированный аргумент подсоедините к функции «Cos».

32.Поместите на диаграмме функцию «Sin». Умножьте выходное значение «Cos» на 2.5 и подсоедините его ко входу «Sin».

33.Для того чтобы возвести значение с выходного терминала «Sin» в третью степень, разместите на диаграмме функцию «Power Of X» (Functions >>

Programming >> Mathematics >> Elementary & Special Functions >> Exponential Functions). Для входного терминала «y» создайте константу и придайте ей значение 3, к терминалу «x» подсоедините значение sin.

34.Соедините полученный результат с кра-

ем рамки цикла «For Loop», образовавшийся выходной терминал будет содержать сформированный массив значений сигнала. Создайте индикатор для сформированного массива.

35. Для настройки входных и выходных терминалов переключитесь на лицевую панель субВП, вызовите контекстное меню на значке

10