LabVIEW程序：动态调用的优化策略

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：只有第4个问题是专门针对两个程序而言的，在LabVIEW中这种不同程序之间的相互调用称之为“程序的动态调用”。因此，LabVIEW不允许具有相同名字的VI同时载入内存中，即使这些VI存储在不同的路径中。LabVIEW本身就是一种多线程设计的语言。LabVIEW提供了多种动态调用的方式，从底层而言是通过VI服务器技术实现的。图5-42所示为LabVIEW中函数选板的“编程”→“应用程序控制”选板，动态调用所使用的节点都位于这个选板。

大多数比较复杂的数据采集应用至少应该有“菜单”和“采集”两个状态，如果数据采集程序在运行时仍然希望系统能够处理菜单的事件，这是在传统的状态机或者事件结构中无法实现的，因为无论是状态机结构还是事件结构，都是由一个循环组成的，不同的状态是无法同时被响应和处理的。

解决这个问题的方式也比较简单，LabVIEW本身就是一种多线程的程序设计语言，可以再加一个循环或者另外打开一个程序独立运行。但是这样也会带来一些新的问题，比如：

1）两个循环（程序）之间如何交换和共享数据？

2）两个循环（程序）都有着独立的错误处理系统，它们之间是如何协调的？

3）两个循环是如何分工的？应该以哪种方式对状态进行分类以将不同的状态放置在不同的循环（程序）中？

4）一个程序如何控制另一个程序的运行和停止？

在上面提出的4个问题中，对循环和程序这两个解决方案而言，第1～3个问题的解决方式是一样的。只有第4个问题是专门针对两个程序而言的，在LabVIEW中这种不同程序之间的相互调用称之为“程序的动态调用”。

在介绍VI的动态调用之前有必要对LabVIEW在执行VI过程中的规则有个大致了解。众所周知，LabVIEW是通过VI的文件名（VI Name）来表示独立的VI的，并不是VI的路径。因此，LabVIEW不允许具有相同名字的VI同时载入内存中，即使这些VI存储在不同的路径中。如果在实际使用中需要这样的应用该如何解决呢？LabVIEW提供了VI的可重入技术。LabVIEW本身就是一种多线程设计的语言。如果在程序中有两个并行放置且之间无任何连线的模块，则LabVIEW自动把它们放置到不同的线程中并行执行。事实上，LabVIEW的可重入技术相当于在原有VI的基础上产生了一个相同的副本，那么在程序的不同地方调用这个VI时，会在内存中调用生成一个新的VI实例，尽管程序在不同地方调用的这个子VI的内容都相同，但这些子VI在内存中是相互独立的。

重入执行是子VI的一个属性。默认情况下，VI是不会设置这个属性的；需要设置它时，可以在VI属性对话框的执行选项中，选中“重入执行”选项。设置了这一属性的VI，称为可重入VI，可重入VI用于当同时运行同一VI的多个实例时。

重入执行设置有两个选择：在实例间共享副本（减少内存使用）；为各个实例预分配副本（保持各个实例的状态）。

如果选择了在实例间共享副本，该VI就会有一个数据空间池（也称为副本池）。在调用VI开始时，最初只创建两个副本。一个调用方将使用这两个数据空间之一，但不一定是哪个。后来的调用方也可能使用不同的实例。当数据池中的数据空间（副本）少于同时调用方的数量时，将会创建新的数据空间（副本）并将它们添加到池中。“实例间共享副本”中的“之间共享”一词意味着随着时间的推移，这些数据空间可以被多个调用方使用。如果该子VI有20个调用方，但这20个调用方中只有2个会同时运行，那么池中就将只有两个数据空间，这两个空间会在20个调用方间被“共享”。这种可重入方式的优点是能优化存储空间的使用。只根据当前需求创建必要数量的副本。

相比之下，如果选择了预分配副本选项，将会为每一个调用方创建一个私有的数据空间（和副本）。如果该VI有20个调用方，就将在调用VI开始时创建20个副本并将它们添加到池中。如果调用模式如上面描述的一样，可能每次只有两个调用方同时运行。当每个调用方使用同一子VI的副本时（例如，如果子VI需要在每次调用后保持数据），那么就使用这种可重入VI。在这种情况下共享副本类型将无法工作，因为无法知道最后一次调用的是子VI的哪个实例和将使用的是哪个实例，且存储的信息将会在子VI间发生无法预知的“串扰”。“预分配”意味着每次调用时，都会为该调用方创建一个数据空间和副本。预分配发生在VI运行前。

在实际应用中，需要根据情况决定是否设置VI的可重入属性，灵活使用。并不是需要将所有的VI都设置为可重入，那将占据大量的内存资源。

如果希望同时打开同一VI的多个前面板，可重入子VI选项就无法做到。为了打开一个VI的多个实例，有两种方法可供选择：

1）如果希望多次打开的是一个顶层VI，可以将该顶层VI复制到一个临时路径下并取不同的名字，然后再打开这个新的文件实例。但子VI就没有必要使用复制，仅顶层VI需要使用这种复制的方法。可使用VI服务器打开并运行副本。

2）第二种方法是将多实例面板放入一个模板VI中，然后每次从该模板VI打开文件。VI模板是扩展名为.vit的VI。可以从“文件”→“新建”→“基于模板”下面的模板创建一个新VI。这将创建一个新的VI实例，它有自己的存储空间。

可以使用VI服务器打开VI和VI模板。VI服务器用于动态加载并运行VI。对于带有子VI的情况，只有加载顶层VI时子VI才被加载。当动态加载一个VI，而不是将它作为子VI时，它的代码将不会被加载直到VI服务器调用该子VI。这会节省内存和启动时间。

简单而言，动态调用指的是通过程序控制另外一个程序的运行、停止、赋值和获取值等。LabVIEW提供了多种动态调用的方式，从底层而言是通过VI服务器技术实现的。

图5-42所示为LabVIEW中函数选板的“编程”→“应用程序控制”选板，动态调用所使用的节点都位于这个选板。当调用一个硬盘、内存甚至是网络路径上的VI时，首先要使用“打开应用程序引用”以将该VI载入内存并获取VI的“句柄（Reference）”；然后再使用该句柄进行其他的控制操作；最后再关闭该VI的句柄避免内存泄漏，这就完成了一次对VI的调用。

图5-42 应用程序控制选板

首先使用“打开VI引用”获取动态调用VI的引用；再使用“通过引用调用”节点动态运行该VI；最后关闭VI的引用。在使用“通过引用调用”时需要事先指定被调用VI的输入输出接口，也就是说这种动态调用的前提是必须知道被调用VI的输入输出接口，否则无法进行动态调用。

【例5-7】斐波那契数列（Fibonacci数列）

本例将使用LabVIEW的动态调用方式实现斐波那契数列（Fibonacci数列）。斐波那契数列指的是这样一个数列：1，1，2，3，5，8，13，21…这个数列从第三项开始，每一项都等于前两项之和。在数学上表述为f（n）=f（n-1）+f（n-2），其中n＞=3，f（1）=f（2）=1。

显然这是一个比较熟悉的递归调用，但是在LabVIEW中似乎很难实现。由于LabVIEW不允许同名的VI同时在内存中，因此一个VI是无法VI调用本身的。但是，通过VI的可重入技术和动态调用技术却可以实现VI的递归调用。

图5-43所示为Fibonacci数列在LabVIEW中递归的实现方式。条件结构有两个分支，当n＜=2时直接输出f（n）=1；当n＞=3时，输出f（n）=f（n-1）+f（n-2）。此时需要把VI设置为可重入状态。

图5-43 Fibonacci数列程序框图

同理也可以使用这种递归的方式实现f（n）=n！的算法，从数学上可以写作f（n）=n^*f（n-1），其中n＞=1，f（0）=1。具体的实例将不再详述。此外，递归算法的效率比较低，在实际应用中应谨慎使用。

打开Highlight工具，在通过引用调用运行时，程序是处于等待状态的，只有被调用的VI运行完毕，主程序才会继续执行。这似乎无法解决在本节开头提到的问题，那么是否存在一种动态调用方式使被调用的VI与主VI之间分别独立运行呢？答案是肯定的。

VI本身是有很多的属性和方法的，如图5-44所示。使用这些方法就可以动态控制VI的运行、停止和赋值，各个属性节点和方法的具体含义见LabVIEW的帮助文档。使用这种方式动态调用VI时，并不需要知道VI的输入输出接口。

图5-44 VI属性节点

图5-45是该使用“属性节点和方法”实现动态调用的一个实例。在大多数应用程序启动时会显示一个启动画面用来显示版权、开发单位、软件版本等信息，等待2s之后关闭启动界面并启动应用程序主界面。图中使用了动态调用的方式启动主程序（Main.vi）并使主程序独立运行，首先运行程序后设置2s的延时；其次，将启动画面的界面设置为“隐藏”（并没有退出内存，只是隐藏了前面板），并且使用“打开VI引用”获取VI的句柄；然后使用FP.Open属性打开主程序的前面板（只是打开了前面板并没有运行）；使用RunVI方法运行主程序，将WaitUntilDone设置为false，这样就可以保证被调用VI的独立运行；最后，关闭当前VI的前面板。

图5-45 VI动态调用实例

通过“高亮”调试工具运行该VI，可以看出该VI的运行是独立的，并没有等待Main.vi运行结束才继续执行。

LabVIEW程序：动态调用的优化策略

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