5.5 来自第三方的LabVIEW设计模式——面向组件的设计

5.5 来自第三方的LabVIEW设计模式——面向组件的设计（LCOD）［上］（LabVIEW design patterns from a third party - a component oriented design (LCOD)）版本 5创建于: 2011-2-8 下午8:34 作者jwdz - 最后修改: 2011-2-18 上午7:01 作者jwdz面向组件的设计模式——LCOD（LabVIEW Component Oriented Design）来自于Jon Conway，Steve Watts所著的《A Software Engineering Approach to LabVIEW》一书（原版2003）。

该书的译者：罗宵、周毅等，中文版书名为：《软件工程方法在LabVIEW中的应用》（中译本2006年）。

笔者相信许多LabVIEW开好者和开发者都不止一次的、认真的读过此书。

但是，从直接的信息反馈来看（主要来自网评），大家对此书的内容褒贬不一。

甚至有读者认为此书苦涩难懂、不易理解。

这本书的确不易读懂，笔者也曾不止一次的读过此书，尽管某些地方到现在还无法认识和真正的理解，但是每次认真读后都会有些体会。

笔者认为：本书从软件工程的角度，提出了LabVIEW面向组件的设计模式。

尽管面向组件的设计模式在LabVIEW的设计中尚未成为主流（或者根本就不会成为主流的设计方法），但是它的设计思想和原则会给我们提供很好的设计借鉴。

5.5.1 软件工程中好的软件——松耦合、强内聚、信息隐藏和封装与基于文本的编程语言相比LabVIEW图形化语言似乎天生就具备了好软件的要求，因为图形化代码本身就具备——松耦合、强内聚、信息隐藏、抽象的特点，应该讲这些特点绝对是毋庸置疑的。

尽管如此，在图形化设计中，我们还是会遇到这样或那样的问题。

比如：程序代码的重用问题；代码维护的问题、程序运行是否安全可靠等等问题。

这些问题不是图形化语言特有的，而是所有语言都面临的问题，也就是软件工程所要求的。

如果在设计之初我们就按照软件工程的要求安排和思考设计方案，我们就会将问题降到最少、将问题的影响降到最低。

5.5.1.1 图形化代码的松耦合、强内聚松耦合软件设计中的耦合指——程序模块间无关程度的度量。

如果两个模块间很少交互，那么我们称之为松散耦合。

如果两个模块间交互程度很高，则称之为紧密耦合。

众所周知，图形化代码是基于数据流运行机制的，所以VI间的耦合（数据流动）是不可可少、必然存在的。

但是，从耦合的角度来看，人们自然非常希望每个VI的输入、输出连线应最少，并且应该将数据处理过程尽可能的包含在VI中，输出仅仅包含最终的有效数据。

书中提供了一个松耦合测量系统的示例。

参见下图。

图5.5.1.1-1 松耦合示例（中译本-图3.7）上图所示的测量系统可以完成某测试系统中的所有测量功能。

你所要做的就是告诉它要测量什么，在输出端就会得到相应的数据结果（这是一个组件）。

在LabVIEW中，最能体现松耦合的实例就是多功能信号发生器。

如果已经确定其它参数不会发生改变，通过枚举常量就可以任意选择输出信号类型：Sine Wave、Triangle Wave、Square Wave、Sawtooth Wave。

参见下图。

图5.5.1.1-2 松耦合的多功能信号发生器松耦合能够确保整个图形化程序清晰、可读，并且易于理解设计者的目的和用途。

应该是每个图形化程序设计者所追求的终极目标。

但是，在实际应用开发中我们仍然会遇到这样或那样的问题。

比如：虚拟仪器本身要求有良好的、交互式的人机对话用户界面。

这样就不可避免的使得数据在人机对话界面和程序框图中传递，从而导致了VI间复杂的数据耦合关系存在。

如何减少VI间复杂的数据耦合关系，簇应该是一个很好的选择。

因为簇中可以包含众多的同指向的、不同数据类型的控件。

面向组件的设计可以满足上面的一些要求，也是作者所一再强调采用面向组件设计的原因之一。

下面我们在来看看软件中的内聚。

强内聚软件设计中的内聚指——软件模块中各组成部分的相关程度强弱的度量。

相关程度越强越好。

对于强内聚的理解，作者给出了一个针对内聚而言比较有说服力的测试系统示例。

整个测试系统是由一台示波器和一台信号发生组成，并通过GPIB控制和管理示波器和信号发生器以及整个测试系统。

测试工作为30次独立的测试任务，为此创建了30个测试VI（Test1.vi-Test30.vi）。

其中每个测试任务中都包含了对示波器和信号发生器的调用。

显然，这种方式的内聚性不好。

比如：要变更某个测试频率，那就要对每个测试VI都进行修改，这对系统维护和升级相当不利。

最有效的解决的方案是改进内聚，也就是说：创建示波器VI、信号发生器VI和测试系统VI。

示波器VI——负责GPIB对示波器的读、写信号发生器VI——负责GPIB对信号发生器的读、写测试系统VI——负责整个30个测试任务中对示波器VI和信号发生器VI的控制和管理在这样的结构下，变更测试频率只需变更示波器VI、信号发生器VI中的某些参数即可（不必对每个测试VI进行更改）。

这个例子告诉我们：选择合理的设计方案和结构可以使得系统维护和升级相当简便，这种设计思维方式是值得我们学习和掌握的。

本书在强内聚方面提供的另一个例子是使用ActiveX创建一个VI来控制Word 97所需的全部功能。

下面看看该组件。

图5.5.1.1-3 Word Control.vi（组件）实现用ActiveX控件实现对Word 97的控制它实现的控制功能多达6种，其中包括：打开Word、关闭Word、插入文本、保存文档、转到书签、粘贴等。

参见下图。

图5.5.1.1-4 丰富的控制功能（Word97）这是一个展示强内聚很好的组件。

该组件也具有实际意义，在没有《报告生成工具包》的情况下，它是一个很好的Word文档处理组件。

可惜的是处理的Word版本太低。

该程序代码可以下载（LabVIEW——北方客栈－下载中心）。

实际上在LabVIEW中，许多多态VI都具备了强内聚的基本特性，读者可以自己细心去慢慢品味，这里就不再一一列举了。

5.5.1.2 图形化代码的信息隐藏和封装图形化代码的模块化组织结构已经确保了信息隐藏和封装已经作的很好了，这里所指的信息隐藏和封装是相对于软件工程中的要求和实际应用时需要注意的问题。

信息隐藏软件设计中的信息隐藏——常用于将复杂的东西隐藏在简单的界面下。

下面我们给出一个实际应用中的例子。

例：5.5.1.2-1 用USB-6211的I/O数据线控制继电器组在某应用项目中，我们需要使用USB-6211的I/O数据线控制一个继电器组（仅在初始化时发送一组数字编码），提供给4个不同的测试程序分别使用。

数字I/O的数据输出使用4条数据输出线控制外部硬件译码器的4个输入端，译码器的输出端驱动继电器。

我们使用了DAQ助手来实现这个DIO.vi的设计，其中确定使用的物理通道和控制的逻辑关系如下：数字输出顺序使用的物理通道数字输出_0 USB-6211/port1/line0数字输出_1 USB-6211/port1/line1数字输出_2 USB-6211/port1/line2数字输出_3 USB-6211/port1/line3所代表的逻辑关系及物理意义如下：0000——电压1V0001——电压5V0100——电流1A0101——电流5A图5.5.1.2-1 DIO.vi程序框图图5.5.1.2-2 DIO.vi前面版图这个DIO.vi的设计就是依据信息隐藏的设计思想方法实现的。

我们可以在整个项目中的4个测试程序的初始化中使用它（不会同时运行）。

仅依靠修改命令参数就可以实现不同的继电器驱动。

参见下图。

图5.5.1.2-3 初始化数字I/O同时如果发生设计上的变更，仅仅修改命令和Case结构中的程序代码就可以了。

这里需要说明的是由于仅在测试程序初始化时运行该VI，所以我们为了简便设计使用了DAQ 助手来设计实现。

封装软件设计中的封装——对构成抽象概念的结构和行为的基本元素进行划分的过程；封装用于分离抽象概念及其实现之间的接口。

LabVIEW中的封装更多的用于子VI的设计和实现。

OpenG和MGI的VI就是利用封装实现不同的函数（方法）处理。

封装是使图形化代码模块化的重要手法之一。

根据任务的要求能够抽象出最基本结构和处理方法进行重新封装近而达到实现模块化设计和设计重用的目的。

同时也标志着你的设计能力和水平在不断地提高。

下面我们看一个实际应用实例。

例：5.5.1.2-2 用谐波分析.vi实现信号基波提取（“理想”滤波器）在振动测试中，加速度测量一般是通过加速度传感器来提取加速度信号。

这里就面临着一个问题：加速度的测量结构通常是用峰_峰值来表示的，可是我们所获得的加速度信号中往往包含很多高次分量（谐波分量），用这样的信号来表征加速度值往往是不正确的。

因为包含谐波分量的信号峰_峰值与纯正弦信号的峰_峰值是不一样的。

这样就需要对含有谐波分量的加速度信号进行滤波，以期获得纯正的正弦信号来计算峰_峰值。

设计一个滤波器当然也可以，但是能否有更简单、实用的方法呢？回答是可以的，我们利用对谐波分析.vi的重新封装实现加速度信号的基波提取，同样达到了滤波的效果（我们称之为：理想滤波器）。

将这个VI命名为：数字滤波器.vi。

设计思路是对LabVIEW内置VI——Harmonic Distortion Analyer.vi进行设置后重新封装而实现。

参见下图。

图5.5.1.2-4 数字滤波器前面版图图5.5.1.2-5 数字滤波器程序框图上图中的Case结构“假”为：Input signal（不进行滤波）。

使用这个VI即完成频率和谐波失真的测量又能够提取基波信号（通过“滤波器加入”开关控制）相当有实用价值（输入信号必须是周期信号）。

当然，实现这个功能前提是必须对Harmonic Distortion Analyer.vi 有足够的深入了解。

对于多通道输入信号稍加改动同样可以实现。

它的演示说明和下载地址：/content/docs/DOC-12964实际上，工程项目应用中我们需要许多自己定义封装后的VI。

下面在来看一个实际应用中的例子。

例：5.5.1.2-3 用谐波分析.vi实现谐波分量的显示我们都使用过Harmonic Distortion Analyer.vi，一般用它来测量THD。

可是有时候我们不仅需要知道THD的大小（数值），我们更想知道它的分布情况或者说THD中各次谐波所占有的比例关系。

比如说：已知某信号的谐波失真THD为：10％，但是无法确定其中的2次谐波是多少？三次谐波又是多少？…….这就需要我们创建一个新的VI来做谐波分量的分析。