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Arrays y Clusters en LabVIEW

Module by: Patxi Alkorta Egiguren. E-mail the author

Summary: Este módulo trata de explicar el fundamento de los arrays y clusters en LabVIEW.

Tipos de datos

LabVIEW soporta principalmente 4 tipos de datos. Los números enteros o integer, los números reales de coma flotante (con decimales) o float/double, los elementos booleanos o de tipo bit, boolean, y las cadenas de caracteres o string. En el diagrama de cualquier aplicación, los elementos enteros aparecen con el color azul marino, los reales o doubles con color naranja, los booleanos en verde, y las cadenas de caracteres en rosa. Existen más tipos de datos en LabVIEW, como los reales de coma fija, etc, pero no los analizaremos dado que quedan fuera del interés de este curso básico.

Dentro de los enteros, podemos hacer una clasificación por su tamaño en bits, habiendo enteros de 8 bits, de 16, de 32 y de 64 bits. Además, es posible definirlos tanto con signo (signed, con prefijo I), como sin signo (unsigned, con prefijo U). Así, un entero con signo de 16 bits se define como I16. Por defecto, un entero es creado con el tamaño de 32 bits y es de tipo signed, I32, aunque si se desea cambiar, se pulsa el botón derecho del ratón con el cursor sobre el objeto (una constante, un indicador) y se ejecuta Properties, donde a continuación se pulsa sobre Representation y se selecciona otro formato, p.e. U8 y se pulsa OK, tal como se refleja en figura 1.

Figura 1
Figura 1 (graphics1.png)

La mayoría de las funciones matemáticas consideran que tanto sus entradas como la salida son de tipo double. El tipo double es el número de coma flotante de doble precisión y se representa con DBL.

Todas las entradas y salidas de las funciones de la paleta Functions/Programming/Boolean son de tipo booleano, así como las salidas de las funciones de la paleta Functions/Programming/Comparison.

Los datos de tipo cadena se utilizan para enviar y recibir mensajes de texto entre los distintos módulos y funciones de una aplicación. Se utilizan para el envío y recepción de información. Muchas funciones de librería tienen una entrada y también una salida de este tipo. Normalmente la entrada está conectada a la salida de este tipo de la función anterior, y a su vez, la salida está conectada a la entrada de la siguiente función. En este sentido, al final de la secuencia de funciones, se coloca un indicador para ver si se ha producido o no algún error, y para saber de qué tipo es. En el módulo dedicado a la gestión de ficheros se podrá ver mejor su uso.

Cuando interesa convertir un tipo de dato en otro, entonces se utiliza un conversor de tipo. Se trata de un objeto que convierte un tipo de dato en otro. En la paleta Functions/Programming/Numeric/Conversion, existen objetos para convertir números a números reales de simple precisión, doble precisión e incluso de coma fija, o también números enteros de distintos tamaños con o sin signo, etc, figura 2derecha. Existe otra paleta, Functions/Programming/String/String-Number Conversion, donde hay varias funciones para convertir cadenas de texto o strings en números de distinto formato, y otras que hacen la función inversa, figura 2 izquierda. Finalmente, en la paleta de Functions/Programming/Array, y también en la de Functions/Programming/Cluster, podemos encontrar conversores de tipo entre array y cluster.

Figura 2
Figura 2 (graphics2.png)

Arrays

Los arrays son conjuntos de datos o elementos del mismo tipo, accesibles mediante los índices del propio array. En LabVIEW existen arrays unidimensionales, y también los bidimensionales. El array es en realidad una tabla de dos dimensiones, donde los elementos guardados en sus casillas son accesibles mediante los índices de la tabla, conocidos como filas y columnas.

Hay dos formas de inicializar los arrays. La primera es utilizando las funciones específicas de inicialización de arrays, y la otra, mediante las sentencias repetitivas (for, while).

Arrays unidimensionales

Los arrays unidimensionales son aquellos que tienen una única fila y C columnas, es decir son arrays de tamaño 1xC. Para inicializar un array unidimensional utilizando las funciones de arrays, se ejecuta en el diagrama Functions/Programming/Array/Build Array , figura 3, y se coloca esa función sobre el diagrama, figura 4 izquierda.

Figura 3
Figura 3 (graphics3.png)

A continuación se marca ese objeto con el ratón y se extiende hacia abajo dándole el tamaño de C columnas, p.e. 3 columnas, figura 4 centro. Seguidamente se generan las tres entradas (desde las 3 entradas del objeto Build Array), es decir, los controles que proporcionarán los valores de los 3 elementos del array, y también el indicador que muestra el contenido del array (desde la salida del objeto Build Array), figura 4 derecha.

Figura 4
Figura 4 (graphics4.png)

A esto, le añadimos una sentencia while para que la aplicación se ejecute de forma continua. Al ejecutar la aplicación, se asignan los valores de los elementos del array en los controles correspondientes, figura 5. El array puede ser indexado desde su índice (elemento de control del array), es decir, cada elemento del array se puede ver desde el su índice. Como se puede observar en figura 5 izquierda, el índice comienza en 0, y no en 1.

Figura 5
Figura 5 (graphics5.png)

Además, si se pretende acceder a un elemento inexistente del array, se muestra un 0, figura 6.

Figura 6
Figura 6 (graphics6.png)

Cuando los array son pequeños, o cuando no hay problemas de espacio en el panel, se puede prescindir del uso del índice. Para ello, se expande el array con la herramienta Position/Size/Select de la paleta de herrramientas, habiendo seleccionado previamente el elemento visible del array (el primero), figura 7.

Figura 7
Figura 7 (graphics7.png)

Otra forma de inicializar los arrays es utilizando una sentencia for. Si se emplea una sentencia de tipo for que se ejecuta N veces, se crea, a la salida de la misma, un array de 1 fila y N columnas. El valor que se asigna a cada elemento del array es aquél que se obtiene de esa iteración de la sentencia for. Este valor puede ser incluso una función del índice de esta sentencia, además de otras cosas.

En el siguiente ejemplo, figura 8, se muestra cómo cada elemento del array proviene de una función que genera números aleatorios (Functions/Programming/Numeric/Random Number) entre 0 y 1. El número de elementos creados viene fijado por el valor del número de iteraciones de la sentencia for, que en este caso se fija en 3 mediante una constante.

Figura 8
Figura 8 (graphics8.png)

Como se puede observar en figura 8 izquierda, el cuarto elemento no existe (es 0), ya que el número de elementos del array está fijado por el número de iteraciones de la sentencia for.

En teoría, también se podría utilizar la sentencia de repetición while para crear un array unidimensional. Pero esto no suele ser lo habitual, ya que normalmente esta sentencia se ejecuta muchisimas veces el código que se encuentra en su interior, es decir, no suele estar limitada por un número de iteraciones fijo, sino que depende de que se dé una condición dada. Esto significa que hasta que se dé esa condición de parada, ha habido un montón de iteraciones, lo cual se traduce en que se ha generado un array de muchisimos elementos, con el consiguiente consumo de memoria que esto conlleva y problemas que puede generar en el sistema donde se ejecuta la aplicación. Por todo ello, conviene que la generación de arrays con sentencias repetitivas se haga solamente con los de tipo for, y nunca o casi nunca con los de tipo while.

Arrays bidimensionales

Se trata de arrays de más de una fila, con lo que se consiguen arrays de F filas y C columnas, es decir arrays FxC. Como se puede deducir, un array de dos dimensiones es ideal para guardar o representar tablas de datos, ya que la tabla tiene la misma organización bidimensional de filas y columnas que el array bidimensional.

En cuanto a la inicialización de estos arrays, tenemos las dos formas explicadas que para los arrays unidimensionales. Por una parte, se pueden inicializar utilizando las funciones Build Array, y por otra, mediante las sentencias de repetición for. Como hemos podido ver con los arrays de una dimensión, una función Build Array crea un array de una única fila. Pues bien, para crear un array de dos dimensiones, lo que se hace es unir varios arrays de una dimensión en un array mediante otra función Build Array. La única condición que han de cumplir estos arrays unidimensionales, es que todos ellos tengan el mismo número de elementos, es decir, que el mismo número de columnas, figura 9.

Figura 9
Figura 9 (graphics9.png)

A continuación, tenemos un ejemplo donde podemos ver cómo se genera un array de números aleatorios de dos dimensiones utilizando dos sentencias de repetición for, una dentro de la otra, figura 10. La sentencia for interna, tal y como hemos visto en el caso unidimensional, genera cada una de las filas del array, por lo tanto su número de iteraciones define el número de columnas o elementos de cada fila. Por ello, esto queda fijado mediante un control llamado Columnas. Así mismo, la sentencia for externa, permite repetir varias veces lo que ocurre en su interior: generar una fila de array. Entonces, fijando su número de iteraciones, se fija el número de filas que tendrá el array resultante, mediante otro control llamado Filas.

Figura 10
Figura 10 (graphics10.png)

Llegados a este punto, conviene notar la diferencia que hay, observando las líneas de los datos, entre un número escalar (salida de la función de número aleatorio), un array unidimensional (salida del for interno) y un array bidimensional (salida del for externo). Se observa que la línea más delgada corresponde al número escalar. Una línea algo más gruesa representa un array de una dimensión o de una fila, y una línea más gruesa aún, representa un array bidimensional.

Clusters

Los clusters son tipos de datos compuestos por varios elementos de distintos tipos. Son los equivalentes a las estructuras de datos del lenguaje de programación C y similares, o a las clases, en los lenguajes de Programación Orientados a Objetos, como el C++, Java, etc. En LabVIEW, cuando interesa unir varios tipos de datos bajo el mismo nombre, entonces se crea un cluster con ese nombre. Esto, suele ser muy práctico para que en el diagrama, aparezcan muchas menos líneas de conexiones y éstas estén agrupadas según un criterio dado. En el ejemplo que viene a continuación, se muestra cómo tres tipos de datos distintos (número real, número entero y cadena de caracteres) que se encuentran en los controles de la izquierda son llevados a la parte derecha del diagrama como una única unidad, figura 12 derecha. Para aguparlos, se utiliza el objeto Bundle, figura 11 izda., que se encuentra en Functions/Programming/Cluster, Class & Variants. En cambio, en el lado derecho, tanto del diagrama como del panel, se encuentran los indicadores que permiten visualizar los valores enviados desde los controles antes mencionados. Para ello, se utiliza el objeto Unbundle, figura 11 dcha., cuya misión es obtener los elementos individuales del grupo que llega a su entrada.

Figura 11
Figura 11 (graphics11.png)
Figura 12
Figura 12 (graphics12.png)

Otra interesante aplicación de los clusters es la de crear aplicaciones con menús de botones y máquinas de estados. Para crear un menú de botones se inserta un objeto cluster desde el panel, desde Controls/Classic/Cluster/Classic Array, Matriz & Cluster. A continuación se insertan dos botones de tipo OK a los que se les elimina la etiqueta externa, en el cluster. Se edita cada uno de ellos con el botón derecho del ratón y ejecutando Properties y en la ficha Appearance, en Off text, se elimina OK y se escribe “+” en un caso y “-“ en el otro.

En el diagrama, se introduce una sentencia while para controlar la ejecución de la aplicación, donde el cluster anterior es introducido en ella, figura 13. A la salida del cluster se conecta un conversor de tipo Cluster to Array, que se encuentra en Functions/Programming/Array. A su vez, la salida de este conversor es llevado a la entrada superior del Search 1D Array, donde su entrada inferior está conectada a una constante booleana de valor true. Asi, este objeto proporciona el índice del array cuyo elemento ha proporcionado un true, es decir, en este caso, cuyo botón ha sido pulsado. De este modo, si se pulsa el primer botón, la función Search 1D Array devuelve un 0, si se pulsa el segundo, devuelve un 1, y así si hubiera más botones. En cambio, si no se pulsa ningún botón, la función devuelve –1.

En este sentido, si a la salida de esta función conectamos una sentencia de selección múltiple, entonces se puede colocar en cada sentencia el código asociado al botón o función que se quiera realizar. Así, tendriamos una sentencia o estado de reposo para cuando no se pulsa ningún pulsador (-1), otro para la suma de los dos operandos (0), y finalmente para le resta de los operandos (1). Además del código asociado a cada estado o función, se colocará una constante de tipo cadena o string, que irá conectado a la salida de la sentencia para que en el panel se pueda ver el estado en el que se encuentra la aplicación en todo momento. Dendro de la sentencia while, se añadirá un temporizador de 1 segundo para que se puedan ver los resultados en tiempo de ejecución de la aplicación.

Figura 13
Figura 13 (graphics13.png)

La aplicación anterior vuelve automáticamente al estado de reposo. Otra forma de hacer la misma aplicación es introduciendo el código del cluster y la Search 1D Array en la sentencia asociada al reposo, pero añadiendo también un registro de desplazamiento a la sentencia while, figura 14. Así, tal y como se puede ver, el estado inicial es el de reposo (-1), y al pulsar alguno de los dos pulsadores, la salida de la Search 1D Array proporciona el código asociado y vía registro de desplazamiento vuelve por la entrada de la sentencia múltiple para ejecutar el correspondiente caso. Pero cada uno de estos casos lleva el valor del código del estado que se quiere ejecutar tras su ejecución, que en nuestro caso es –1, el de reposo (ver los dos casos de figura 15).

Figura 14
Figura 14 (graphics14.png)
Figura 15
Figura 15 (graphics15.png)

Esto muestra claramente que estos códigos no tienen por qué ser el de reposo, si no otros que el programador desee. De esta forma se pueden definir ciclos de máquinas de estados, aunque LabVIEW ya posee objetos específicos para realizar máquinas de estados.

Ejercicios propuestos

Exercise 1

Construye un instrumento virtual que genere un array unidimensional con los valores de dos ciclos completos de la función trigonométrica seno.

Exercise 2

Construye un instrumento virtual que genere un array bidimensional con los valores de dos ciclos completos de las funciones trigonométricas seno (1ª fila), coseno (2ª fila), tangente (3ª fila) y cotangente (4ª fila).

Exercise 3

Construye un instrumento virtual que genere un array bidimensional con los valores de 4 fechas en el formato: día mes año (p.e 23 de septiembre de 2008: 23 09 2008).

Exercise 4

Construye un VI con un menú de botones que realiza exactamente las mismas operaciones que la aplicación Calculadora2.vi, es decir, con los dos operandos, las operaciones artméticas +, -, * y división. Con el operando 1 tomando como el ángulo en grados, las operaciones trigonométricas sin, cos, tan y cotan, y con el operando 2, la raíz cuadrada y la inversa. Todos los resultados se muestran en el mismo indicador.

Exercise 5

Realiza un VI que implementa la máquina de estados de figura 16. Los estados son los círculos, y las letras, las acciones para pasar de un estado a otro (pulsadores).

Figura 16
Figura 16 (graphics16.png)

Exercise 6

Realiza un VI con un menú de botones que realiza varias operaciones con dos arrays cuadrados de 3x3, A y B. Elige el modo de iniciaización más cómodo para los arrays. Las operaciones son: para los dos arrays: +, -, * , para el array A: determinante, inversa, transpuesta.

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