LabVIEW的软件工程方法

LabVIEW的软件工程方法1.序言本文将会介绍一些关于LabVIEW的系统设计、实现的方法。我希望读者朋友们通过阅读本文，在仔细思考、比较后能得出自己的结论，形成自己独有的设计和实现方法。2.软件设计的原则在讨论更进一步的细节之前，我们先思考一个问题：什么是好的软件？我个人认为，好的软件必须：（1）对于小的需求变动，程序需要改动的地方少；（2）在（财政）预算范围内，程序能按时完成；（3）能实现（几乎）所有的预期功能；（4）使用简单；（5）方便维护；（6）运行良好；（7）错误处理得当；（8）安全；（9）可靠性好。你有过接手别人项目的经历吗？如果有的话，那么你肯定不会对以下情况陌生：（1）别人的程序总是显得结构复杂、编写的方式很奇怪；（2）几乎没测试过、没有文档说明、算法看不懂；（3）改动别人的程序总是比预期花费的时间长，甚至一个小小的改动就能导致整个程序的崩溃。我有过以上痛苦的经历，所以对我来说：简单的程序好，复杂的不好；能把复杂问题简单化的设计就是好设计。3.改进设计的要点怎样尽量把复杂问题处理得简单呢？虽然LabVIEW不是面向对象编程语言，但是我们可以借鉴面向对象的思维方法。例如耦合（Coupling）、黏合（Cohesion）、信息隐藏（Informationhiding）和抽象（Abstraction）就是不错的思维方法。关于耦合、黏合、信息隐藏和抽象的概念可以去查看面向对象方面的资料，我这里就不赘述了。3.1耦合图3-1紧耦合（Bad）如图3-1中所示的VI有相当多的输入、输出参数，看起很复杂。请大家仔细的观察，然后思考这个问题：是否所有的参数对我们要解决的问题来说都是必不可少的？不一定，也许作者只是想把它当“连接器”使用，通过它把其它的VI连起来而已。图3-2松耦合（Good）如图3-2中所示，这个命名为“MeasSystem”的VI是一个松耦合的典型，它的设计思想是：让系统中所有的测试功能都包含在MeasSystem.vi中。其中“Command”输入参数是一个类似下拉菜单的枚举型控件（自定义的枚举型控件更佳），通过它你可以选择你想要完成的测量任务；“Measurement”和“errorout”两个输出参数则分别输出测量的结果和状态。这样做的好处将在下面“黏合方式的对比”介绍。3.2黏合想象一下：如果一个程序中像图3-1中那样的VI有5、6个左右，并且它们从左到右像糖葫芦那样串起来连成一行，会是一个什么样情况？这些VI之间的连线很难做到没有交叉，多半会彼此搅成一团。如果隔个一年半载后，让你对系统进行维护，而且这个系统中有n个像这样搅成一团的程序……这将是一个噩梦。所以，站在系统维护性的角度来看，这样的系统它的黏合性是差的。图3-3WordControl.vi如图3-3所示，“WordControl.vi”是一个利用ActiveX控制Word的程序，它把系统必须用到的Word功能封装在了里面。同图3-2所示的程序类似：“Command”选择Word的功能；“errorout”输出执行状态；因为Word的特殊性（与仪器相比），它多了一个输入参数“StringIn”（用来输入Word路径等），少了一个“Measurement”的输出参数。很显然，“WordControl.vi”也是典型的松耦合方式。图3-4WordControl的前面板图3-4所示的是WordControl的前面板，它分成3块：Input、Local和Output。这三块分别对应输入、中间（局部）和输出变量。图3-5WordControl的应用图3-5所示的是WordControl的一个应用程序，它依次实现的功能是：打开Word文件、跳转到书签、插入文字、保存文档、关闭Word文件。可以看到：每调用一次“WordControl.vi”，它就“专心”的完成一项功能。这样做的好处有3个：（1）如果在调试时出了问题，可以很方便的查出哪部分出了问题；（2）因为控制Word的功能都集成在一个VI中，所以如果要对这个VI进行测试，可以对每个Word的控制功能逐一测试，这样测试就条理清楚；（3）如果需要添加控制Word的功能，只需要在“Command”枚举变量里添加功能的名称，再添加一个新case分支就行了，其它地方不需要更改。3.3信息隐藏请先看一个常见的案例：某个系统需要用到DIO卡来控制LED灯的亮灭和继电器的通断。在测试时，当继电器闭合后，系统的某个相应单元会连接到电源；继电器断开，这个单元就会与电源断开。此外，LED起指示灯的作用，它用来告诉用户某个单元是否通电。一般情况下，可以通过设置DIO卡端口（port）和通道（channelorbyte）的值，来控制DIO的输出。为了更方便的说明问题，我们假设DIO卡对LED灯的控制是负逻辑（ture=灭，false=亮），对继电器的控制是正逻辑（ture=闭合，false=断开）。让我们来看看下图3-6中所编写的VI。初看起来会觉得还不错，除了LED的负逻辑稍微有点难理解外。图3-6信息隐藏（bad）但是如果这个系统有许多LED灯和继电器呢？恐怕得把图3-6所示的编程任务量翻20倍还不止。另外，假设编写这个系统程序的人已经离职了，但是现在系统的硬件驱动有了更改，而且部分硬件驱动的逻辑也变了。现在由你接手这个项目，你需要对众多的端口和通道值重新进行修改和设置；而且，你还发现前任者对这个系统程序几乎没有任何注释说明。这时，你将会觉得这个工作量似乎不像想象中的那么小。DIO驱动不应该这样复杂，它仅仅只有0和1而已。但是如果所有的VI都像图3-6那样编写的话，恐怕这个系统会真的变得很复杂。上述问题的解决方法是，考虑把具体的信息隐藏在组件（component）里面。简单点说，就是考虑组件（component）要做什么，而不是怎样去做。因此，我们可以把DIO要做的事分为4个（考虑到要与前面板命令保持一致，所以就用英文来写这4个事情）：（）SwitchPowertounitXon.（）SwitchunitXPowerindicatoron.（）SwitchPowertounitXoff.（）SwitchunitXPowerindicatoroff.实际上还有个初始化的功能，但考虑到它对系统的问题解决影响不大，因此由部件自己“决定”是否需要初始化。图3-7DIO组件前面板图3-8所示的是DIO组件命令的说明。图3-8DIO组件命令图3-9信息隐藏示例关于如何实现图3-9中所示VI编程，将在下节讨论。我们先来看信息隐藏后的好处。首先，它的可读性更好。DIO组件只有Command、Unit和errorin三个输入。通过Command，你可以知道DIO组件现在要执行什么任务；通过Unit，你可以知道DIO组件现在对哪个单元进行操作；而errorin，是典型的数据流操作，你可以通过它来传递DIO组件的状态。其次，它的维护性好。熟悉LabVIEW编程的读者可能已经猜到，DIO组件里面的程序结构是状态机，而Command则连接在case结构的select变量（？）上。显然，case结构必有4个分支对应DIO组件要完成的4件事。所以，如果要进行前面所说的系统维护工作的话，只要把DIO组件里的4个case结构修改下就行了。此外，其实它的可扩展性和重复利用性也是很好的。但是现在还看不出什么苗头，所以这里我们暂不讨论。3.4抽象什么是抽象？在我看来，把一个复杂的问题用一个“概念”来简称，这就叫抽象。例如，在LabVIEW编程中，如果我们想把一些文字保存到某个文件里，我们不会考虑直接用“0”和“1”的形式把文字数据保存到硬盘，而会调用“SavetoFile.vi”，要保存的文字作为输入参数送到“SavetoFile.vi”。此时，你就使用了抽象的方法，把复杂的问题进行了可视化管理。你把“0”和“1”数据保存抽象成“SavetoFile”这个概念。软件设计时有两种抽象方法：（1）功能抽象LabVIEW支持子函数（subVI）功能，因此在设计时，我们可以很方便的把一个复杂的程序分割成多个小块。LabVIEW的这种层次结构实际上就是提供的功能抽象：顶层的功能模块可以划分为几个子功能模块，而子功能模块又能含有它自己的子功能模块……这种功能抽象是打破问题复杂性的主要途径。（2）数据抽象计算机处理“0”和“1”，但是编程语言会提供给我们更详尽的数据类型，例如整形（Integer）、实数型（RealNumber）、字符型（String）等。这些数据类型实际上就实现了数据抽象的功能，它们把“0”和“1”抽象成了人们容易理解的整形（Integer）、实数型（RealNumber）、字符型（String）等。LabVIEW还提供了簇（Cluster）这个数据类型，它可以把相关的几个数据绑定在一个，而这些数据不一定是同一个类型。例如，要表示一个圆，它的属性为圆点坐标（X，Y）、半径R和颜色C，其中圆点坐标是一个双精度型的一维数组，半径R是一个双精度型的实数，而颜色是一个0~255的整形。那么我们把圆点坐标（X，Y）、半径R和颜色C绑定成一个簇后（最好是自定义类型的簇），以后就可以用自定义的簇来表示这个圆。这也是一个数据抽象的过程，它把相关的圆点坐标（X，Y）、半径R和颜色C简化成一个数据——簇，这样就方便了我们在应用程序中传递数据。通过把数据封装和隐藏在VI中，抽象的程度可以达到类似面向对象(OOP)编程的水平。用发送信息的方式作为进入和修改数据的唯一途径，是数据抽象的好方法。而数据抽象则是一种模块化设计的好方法。下面我们将用几个例子来说明正确使用抽象的好处。例如，在某个测试系统中的项目中，我们需要编写一个控制继电器闭合、断开的组件，它的基本原理是利用一张继电器板卡来控制继电器的闭合和断开。一种低层次的抽象方法是：用几个subVI来实现初始化、设置和清除硬件卡端口的功能，测试系统的每次继电器操作都是通过调用相应的subVI来完成。这种抽象方法如图3-10所示，为了方便讨论，我们把这些实现初始化、设置和清除的VI称为“relayVIs”图3-10低层次的抽象高层次的抽象做法是：把继电器操作的细节和通道号封装在一个组件里面，例如，用一个命名为“Switch”的VI来把所有的“relayVIs”封装在里面。这样，想进入“relayVIs”进行操作就只有通过“Switch”这个VI。高层次的抽象方法如图3-11所示。图3-11高层次的抽象高层次抽象和低层次抽象相比，好处有哪些？我们通过图3-12来比较一下。图3-11抽象层次比较高层次抽象允许你修改Switch函数，而不改变它的函数接口。例如，如果发生继电器卡更换或者继电器的驱动函数、配置发生改变等情况，你不需更改程序的基本框架，只要用Switch组件把新的“relayVIs”重新封装起来就行了。所以，在高层次抽象里，那个额外的抽象层可以防止软件设计的更改。另外，高层次抽象使你程序的可读性更好。另外，当你发送一个命令（例如“InitializeSwitchSystem”、“ConnectMea1Circuit”等）时，你想继电器进行的动作将是清楚明了的。模糊不清在软件中是坏现象，因为它容易导致bug的产生。4.LOCD的实现LCOD是LabVIEWComponentOrientedDesign的缩写，意思为面向对象的LabVIEW组件。组件（Component）是面向对象中一个常见的概念，我这里就不赘述了，对它有兴趣的读者可以自行去查阅C++Builder的资料。4.1组件的编写技巧当编写组件时，应该综合起来考虑系统中所有组件的内在需求，它们包括：（1）所有的组件，进入它们的公共函数（PublicFunction）和数据（data）的接口应该尽量简单明了；（2）增加、删除和修改组件的功能应该尽可能的轻松简单；（3）组件的任何修改，要尽量对整个系统几乎不产生影响；（4）组件的状态，要能不断被记录保持在自身内部；（5）组件要能自己初始化；（6）组件要有错误处理机制和输入和输出的检查机制。4.2消息发送消息