LabVIEW: Entorno gráfico de programación

Para ejecutarse, cada TIMED LOOP crea su propio sistema de ejecución que contiene un único hilo (ver capítulo 10 dedicado a multihilo). La prioridad se refiere a la preferencia de ejecución entre un bucle y los demás. Los valores más altos corresponderán a TIMED LOOP con mayor prioridad. Cuando dos o más bucles vayan a empezar su ejecución en un instante determinado, la prioridad de cada bucle determinará el orden. En caso de que haya varios con el mismo nivel de prioridad, el orden será comenzando por el de menor tiempo invertido en la ejecución.

También se pueden añadir frames a un TIMED LOOP mediante el menú contextual del mismo modo que se hacía con un SEQUENCE, con lo que un TIMED LOOP podrá ejecutar varios subdiagramas secuencialmente, cada uno con sus propias especificaciones temporales.

Figura 2-19. TIMED LOOP con frames.

En este caso el Right Data Node de un frame cambiará los parámetros del siguiente subdiagrama a ejecutarse en lugar de la siguiente iteración y el Left Data Node proporcionará información sobre el subdiagrama anterior.

El Left Node del primer subdiagrama y el Right Node del último proporcionan más parámetros que el resto debido a que pueden afectar al siguiente/anterior subdiagrama o también a toda la estructura.

En el mismo menú, junto a TIMED LOOP se encuentra una estructura parecida llamada TIMED SEQUENCE. La principal diferencia con el TIMED LOOP es que en este caso no se repite la ejecución de los subdiagramas, por lo tanto no se podrá especificar un periodo, pero aun así sí puede tener otras características temporales como offset, deadline, etc.

Figura 2-20. Estructura TIMED SEQUENCE.

2.7. DISABLE STRUCTURE

Estas estructuras también han aparecido recientemente, pues se usaron por primera vez en la versión 8.0. Sirven para comentar el código, por lo que son muy útiles en la depuración de programas. Hay dos tipos de estructuras de deshabilitación: la incondicional y la condicional.

La incondicional es una estructura que, como CASE, STACKED SEQUENCE o EVENT, se compone de varios subdiagramas. Uno de ellos estará habilitado y el resto estarán deshabilitados; lógicamente el habilitado será el único que se ejecute, y el resto no llegarán a compilarse. Para cambiar el subdiagrama habilitado hay que hacer uso del menú contextual de la estructura.

Figura 2-21. Estructura DISABLE.

La condicional funciona de la misma forma que la anterior, excepto que el diagrama habilitado se selecciona de forma automática dependiendo del valor de unos símbolos asociados al proyecto. Algunos símbolos predefinidos son OS y CPU.

También se pueden definir nuevos símbolos en la ventana de propiedades del proyecto correspondiente, como muestra la figura 2-22.

Figura 2-22. Ventana para crear símbolos.

Una vez creados los símbolos pertinentes, hay que editar la condición de la estructura con Edit Condition For This Subdiagram… del menú contextual. Se puede añadir más de una condición con el botón «+».

Figura 2-23. Configuración de la condición DISABLE.

2.8. FORMULA NODE

La estructura FORMULA NODE puede encontrarse tanto en el menú Programming > Structures como en Mathematics > Scripts & Formulas.

A diferencia de las anteriores, FORMULA NODE no controla el flujo de ejecución, sino que evalúa una expresión matemática escrita como texto con una sintaxis parecida al lenguaje C.

El texto consistirá en una serie de sentencias finalizadas por el símbolo «;». Las sentencias normalmente son asignaciones que usan operadores o funciones, aunque también pueden ser declaraciones de variables, bucles o sentencias de condición. También pueden insertarse comentarios de la misma manera que en C.

Casi todas las funciones que se pueden usar dentro de un FORMULA NODE tienen su equivalente como VI. Éstas son: abs(x), acos(x), acosh(x), asin(x), asinh(x), atan(x), atan2(x,y), atanh(x), ceil(x), ci(x), cos(x), cosh(x), cot(x), csc(x), exp(x), expm1(x), floor(x), getexp(x), gamma(x), getman(x), int(x), intrz(x), ln(x), lnp1(x), log(x), log2(x), max(x,y), min(x,y), mod(x,y), pow(x,y), rand( ), rem(x,y), si(x), sec(x), sign(x), sin(x), sinc(x), sinh(x), sizeOfDim(array,dim), spike(x), sqrt(x), step(x), tan(x), tanh(x).

Los operadores son:

• ** exponenciación.

• +, -, ++, - -, !, ~ suma y resta, pre-post incremento-decremento, negación lógica y complemento de bits.

• *, /, %, +, - operaciones básicas.

• ≫, ≪ desplazamientos.

• <, >, >=, <=,!=, = = comparaciones

• &, ^, |, &&, || operaciones lógicas.

• …?...:… evaluación condicional.

• = asignación.

• Las estructuras son:

• If (condición) sentencias1 else sentencias2

• do sentencias while (condición)

• while (condición) sentencias

• for (asignación; condición; sentencia) sentencias

• switch (condición) lista de casos

Otras palabras reservadas son: break, case, continue, default, pi. Para más información puede consultarse la ayuda.

Presionando el botón secundario en los bordes de la estructura pueden crearse variables de entrada o de salida.

En el ejemplo dado en la figura 2-24 se tiene la fórmula de Herón para calcular la superficie de un triángulo a partir de sus lados; en ella hay tres entradas (a, b, c) que corresponden a la longitud de los lados del triángulo, un resultado intermedio que se trata como una salida más (p) y una salida que es la superficie (S).

Figura 2-24. Fórmula de Herón.

2.9. Scripts

Al igual que el nodo FORMULA NODE, hay otras estructuras que también aceptan textos, de forma que se puede combinar la programación propia de LabVIEW con la más tradicional programación textual.

El MathScript Node es otra de las nuevas estructuras de LabVIEW 8.0 y mejorada en 8.20. A diferencia de otras, MathScript Node no llama a otros programas, y su código es compilado junto con el resto del VI.

En Tools > MathScript Window… puede abrirse una ventana (Figura 2-25) para ayudar a depurar el código. En el campo Command Window pueden escribirse los comandos, también puede ejecutarse un script completo desde la pestaña Script y los resultados pueden verse en la pestaña Variables.

Figura 2-25. Depuración de código con MATH SCRIPT.

La sintaxis que se usa en la estructura MathScript Node es en gran medida compatible con la de MATLAB. Dispone de cientos de funciones que pueden consultarse en la ayuda.

Por otra parte, MATLAB Node también se encuentra únicamente en el menú Mathematics > Scripts & Formulas > Script Nodes. Esta estructura llama al servicio «Matlab Server» a través de ActiveX para ejecutar los comandos (sólo en Windows).

En versiones antiguas también existía XMath Script Node, que utilizaba el programa MATRIXx de National Instruments, similar a MATLAB, pero en las versiones actuales ya no se mantiene.

Al igual que con FORMULA NODE, se deben crear variables de entrada y salida, pero en este caso hay que asignar explícitamente el tipo de datos, tal y como puede verse en la figura 2-26.

Figura 2-26. MathScript Node y MATLAB Script Node.

En la figura 2-27 pueden verse estas dos estructuras. El código de ambas es equivalente: se trata del diseño de un filtro y su aplicación a una señal aleatoria. Obsérvese el parecido de los códigos.

Figura 2-27. Implementación de un filtro utilizando las dos estructuras.

2.10. Ejemplos

2.10.1. Ejemplo I: Filtro promediador

2.10.1.1. Explicación teórica

Los filtros integradores o promediadores son un tipo de filtro paso bajo. Se emplean para reducir el ruido de una señal suponiendo que éste es de frecuencia mucho más alta que la propia señal. También se aplica en la edición de imágenes para añadir difuminados.

El funcionamiento es sencillo: calcular el promedio de una señal en un intervalo determinado.

En un promediador móvil existe lo que se llama ‘ventana’, que indica el tamaño del intervalo a promediar. En un sistema discreto este tamaño serán las muestras de la secuencia de entrada que se promediarán. Una ventana móvil avanza en cada paso del algoritmo una posición en la secuencia de entrada para realizar el promediado como se muestra en la figura 2-28.

Figura 2-28. Ventana móvil para realizar el promediado.

Matemáticamente puede expresarse la ecuación en diferencias del sistema como:

Donde:

y(n): valor calculado.

N: tamaño de la ventana.

x: señal de entrada.

k: índice para recorrer los valores a promediar.

Aplicando la propiedad del desplazamiento temporal, se puede hallar la transformada Z del sistema definido por la ecuación anterior y, a su vez, de esta nueva expresión se obtendrá la estructura del filtro.

La estructura de la figura 2-29 se ha particularizado para un orden igual a tres.

Figura 2-29. Filtro de orden tres.

2.10.1.2. Código

Para realizar este ejemplo se implementará un filtro promediador móvil de orden tres que añada un difuminado a una fotografía.

La entrada será una imagen en blanco y negro con formato BMP que consiste en una lista (array) de valores de cada uno de los componentes de la imagen. Estos componentes son RGB (Red, Green, Blue), por lo que para cada punto habrá tres valores. La siguiente lista representa cómo sería este array para una imagen con cuatro puntos:

R1, G1, B1, R2, G2, B2, R3, G3, B3, R4, G4, B4...

Como la imagen sólo contiene grises, los valores de los tres componentes son iguales, por lo tanto bastará con aplicar el filtro a sólo uno de los componentes o lo que es lo mismo, a uno de cada tres valores.

El programa empezará leyendo el fichero y desglosando su información; entre esta información se obtendrá un array RGB como el anterior. Por simplicidad se trabajará en una dimensión; una mejora sería actuar por filas y luego otra vez por columnas.

La función Decimate 1D Array con un tamaño de tres elementos obtendrá en la primera de sus salidas un array cuyos elementos sean los de las posiciones 1, 4, 7, 10, 13… del array de entrada, es decir, obtendrá todos los valores del componente R de cada punto.

Después los valores R de cada punto son promediados: el promediador sumará el último valor leído y los tres anteriores; el resultado se dividirá por cuatro. La ‘ventana’ se implementará mediante shift registers y el resultado se irá indexando en el lateral del FOR.

Para reconstruir la imagen basta con hacer el proceso inverso al de decimar: interpolar. Finalmente, se dibujan las imágenes antes y después de aplicar el filtro.

Mediante la señal selector se podrá elegir el tipo de estructura implementada. Si el selector está activado el filtro será como en la figura 2-29, y si no está activado habrá realimentación de las salidas a la entrada (IIR).

Figura 2-30. VI que implementa un filtro promediador móvil de orden 4.

2.10.1.3. Resultado

Para explicar el efecto del filtro se puede decir que proporciona cierta resistencia o inercia al cambio en la imagen. En la figura 2-31 puede verse el resultado del filtro sobre una fotografía.

Figura 2-31. Resultado del filtro sobre una fotografía.

La figura 3-32 es un detalle del principio de la fotografía después de aplicar el filtro usando realimentación de salidas a la entrada para magnificar este efecto. En ella se ve cómo hay una serie de puntos negros en la esquina que en la original no estaban, esto se debe a la condición inicial del filtro (hay que esperar a que todos los shift registers tengan datos que provengan de la foto).

Figura 2-32. Detalle de los primeros puntos que pasan por el filtro y del borde izquierdo.

Otro efecto que se puede apreciar es que la parte derecha de la imagen parece extenderse en la izquierda; es decir, la línea del horizonte de la parte derecha se puede ver que se extiente por la parte izquierda también. Esto se produce porque se ha considerado la imagen como un único array; para solucionar esto se podría aplicar el filtro a cada una de las filas.

Es aconsejable ejecutar este ejemplo con la opción Highlight Execution activada, pues de esta manera se puede ver un ejemplo práctico del uso de los shift registers y la salida indexada en los bucles.

Como puede intuirse, este método se puede generalizar para otros tipos de filtros FIR e IIR.

2.10.2. Ejemplo II: Generación de números primos

2.10.2.1. Explicación teórica

Como todo el mundo sabe, un número primo es el número natural que sólo es divisible por él mismo y por la unidad.

Desde los tiempos de Euclides (300 a. de C.) se sabe que existen infinitos números primos. Los primeros algoritmos para encontrar números primos también proceden de la época de los antiguos griegos, como la «criba de Eratóstenes». Desde entonces ha pasado mucho tiempo, pero aún se sigue investigando en este campo. Por ejemplo, en el año 2004 se creó otro algoritmo que mejora el anterior llamado «criba de Atkin».

La generación de números primos es una herramienta muy interesante en campos como la criptografía, donde algunos algoritmos como el RSA usan números primos de valores altos como base para realizar el cifrado.

2.10.2.2. Código

En este ejemplo se optará por un algoritmo que sea lo más sencillo posible, consistirá en hacer un barrido de números empezando por el dos hasta el límite indicado por el usuario, es decir, se recorrerán los números 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8… Para cada número se volverá a hacer un barrido hasta encontrar un número que sea divisor del primero. Si estos dos números son iguales significa que el único divisor de este número es él mismo, por lo tanto es un número primo. En la figura 2-33 puede verse un diagrama de flujo de este algoritmo. Nótese que en este algoritmo, al igual que en muchos otros, se obvia el número uno.

El código para implementar este algoritmo con el nodo FORMULA es exactamente igual que en lenguaje C. En primer lugar, se declararán las variables y, a continuación, se usan dos bucles FOR, uno para cada barrido.

Para determinar si un número es divisor del otro, se comprobará si el resto de la división entre ambos es igual a cero. Finalmente, los números primos encontrados se almacenan en un array.

Figura 2-33. Algoritmo para la obtención de números primos.

Figura 2-34. Implementación del algoritmo en un VI.

2.10.2.3. Resultado

La figura 2-35 muestra un array con los números primos que hay entre dos y quince como resultado de la ejecución del programa anterior.

Figura 2-35. Números primos obtenidos.

En este ejemplo se han aprendido dos cosas: en primer lugar a usar el FORMULA NODE, y en segundo lugar a darse cuenta de que, a pesar de su nombre, esta estructura no sólo sirve para introducir fórmulas matemáticas sino que también se pueden emplear en ella elementos de un lenguaje de programación como bucles, funciones, etc.

2.10.3. Ejemplo III: Bingo

2.10.3.1. Explicación teórica

En esta ocasión se desea realizar un programa que genere un cartón para jugar al bingo. Para esto se necesita crear una matriz o array de dos dimensiones que contenga valores aleatorios entre 1 y 100. Habrá diez columnas (una para cada decena) y cuatro filas.

2.10.3.2. Código

El programa principal tiene la típica estructura de un WHILE y un EVENT.

El evento que se muestra en la figura 2-36 corresponde al cambio de valor de un botón llamado cartón. Este botón tiene por acción mecánica Latch When

Released (se verá en el próximo capítulo). Cuando se presiona el botón se ejecutará el subdiagrama.

Para generar un cartón se necesitan dos bucles; el primero recorrerá cada una de las decenas. Como la cantidad de ejecuciones es conocida, se usará un FOR. Dentro de este bucle habrá otro; este segundo bucle será un WHILE, y en él se generarán números de forma aleatoria entre dos límites, límites que sirven para acotar los números dentro de la decena correspondiente.

La función Random Number (en Programming > Number) devuelve números entre el 0 y el 1. Para generar números enteros se multiplicará por 10 y se sumará el límite inferior; el valor resultante se aproxima al entero superior. En caso de que el número ya haya sido generado antes se descartará; si no había sido generado, se almacenará en un array. Para detectar si el número ya se había generado, se busca dentro del array si algún valor coincide con el nuevo mediante Search 1D Array (en Programming > Array). Si no había ninguno, la salida de esta función contendrá el valor «-1» y se ejecutará el diagrama mostrado en el CASE. Para cualquier otro número se ejecutará el caso por defecto que simplemente deja pasar el array de la entrada a la salida.

Cuando se han generado cuatro números, se detiene el WHILE, se ordenan los números del array con Sort 1D Array y se pasa a la siguiente decena.

Después de recorrer todas las decenas, en la salida indexada del FOR se habrá generado un array de dos dimensiones con los números de un nuevo cartón.

La estructura EVENT contiene otro subdiagrama para cuando se presione el botón Stop. Este subdiagrama únicamente contiene una constante booleana con el valor TRUE cableada a la condición del WHILE principal. Puede pensarse que sería más sencillo dejar vacío este caso y cablear directamente el botón de Stop a la condición, pero no es recomendable porque, como se ha explicado en la sección 2.5, esto provocaría que la condición del bucle se evaluara antes de presionar el botón, con lo que el valor que tiene en ese instante obligaría a ejecutar otra iteración más.

Figura 2-36. VI para la generación de cartones para jugar al bingo.

2.10.3.3. Resultado

En la figura 2-37 puede verse un cartón de bingo generado con el programa de este ejemplo. Cada vez que se presione el botón Cartón, se generará un nuevo cartón.

Figura 2-37. Cartón obtenido de la ejecución del VI.

Este ejemplo muestra el uso de las estructuras EVENT, WHILE, FOR y CASE. Por una parte, se ha visto cuándo se debe usar FOR (con un número de ejecuciones conocido) y cuándo WHILE (cuando no hay un número determinado de ejecuciones); también se ha visto el uso de la estructura EVENT y el típico problema del botón de Stop y, por último, se ha utilizado un CASE dejando un caso por defecto. En el próximo capítulo se explicarán más detalladamente los arrays.

2.11. Ejercicios

1. ¿A qué es equivalente el siguiente programa?

Figura 2-38. Ejercicio 1.

2. Realizar un programa que calcule el factorial de un número. Hacerlo primero con estructuras de repetición y luego con FORMULA NODE.

3. Realizar un programa que genere un array con el primer millón de números enteros mediante un bucle WHILE y un FOR. ¿Cuál es más eficiente? ¿Por qué?

4. Modificar el programa del ejemplo I para que también acepte imágenes a color.

5. Realizar mediante programación visual el mismo algoritmo que en el ejemplo II. Comparar ambos programas en términos de velocidad y espacio.

6. Añadir al evento del ejemplo III otro caso cuando se presione un botón llamado bola. El subdiagrama debe simular el funcionamiento de un bombo para jugar al bingo, debiéndose tener en cuenta no repetir las bolas que ya habían sido sacadas. Opcionalmente también puede añadirse algún mecanismo para detectar si la bola que ha salido estaba en el cartón. (Pista: ver en el siguiente capítulo las propiedades de los controles.)