Beispiel: Addition der Zahlen 1 bis 100

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1 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker PID-Regler Sensorik Lock-In-Verstärker Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Seite 1

2 Programmiersprachen Beispiel: Addition der Zahlen 1 bis 100 Maschinensprache / Assembler: Sprache entspricht der Struktur der CPU ldi r16,0 ldi r17,0 ldi r18,0 ldi r19,0 loop1: inc r18 add r16,r18 adc r17,r19 cpi r18,100 brne loop1 Hochsprache, z. B. BASIC Sprache entspricht menschlicher Denkstruktur dim zahl as integer dim i as integer zahl = 0 for i = 1 to 100 zahl = zahl + i next i Maschinensprache / Assembler i. Allg. zu umständlich Hochsprache wird von Compiler in Maschinensprache übersetzt bzw. interpretiert Seite 2

3 Programmiersprachen Erste Hochsprache: Plankalkül entwickelt von Konrad Zuse zum Einsatz auf Nachfolgemaschinen des Z3 Operationen: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadratwurzel, Umwandlung Dezimal Dual Speicher: 64 x 22 bit (Gleitkommaz.) Taktung: 5,3 Hz Lochstreifenleser für Programme Tastatur und Lampenfeld Leistungsaufnahme: 4 kw Masse: 1000 kg Durch die Ereignisse des 2. Weltkrieges kam es nicht zur Umsetzung von Plankalkül. Seite 3

4 Programmiersprachen Eigenschaften von Hochsprachen: Syntax oft an menschliche Denkgewohnheiten angepasst größtenteils unabhängig von verwendeter CPU abstrakte, maschinenunabhängige Datentypen, z. B. Ganzzahl, Gleitkommazahl Kontrollstrukturen (if... then... else, select case, while loop,...) komplexe Datenstrukturen (Arrays, Records) aber: teilweise Geschwindigkeitsverlust durch Abstraktion Beispiele bekannter Hochsprachen: C, C++, Pascal (Delphi), BASIC (Visual Basic.Net), Java, Javascript, PHP,... Spezialisierte Hochsprachen (optimiert für bestimmte Anwendungen), z. B. in Wissenschaft und Technik: CEC TestPoint, Agilent VEE, National Instruments LabVIEW,... Seite 4

5 Programmiersprachen Beispielprogramm "Addition der Zahlen 1 bis 100" in LabVIEW: Seite 5

6 LabVIEW - Historische Entwicklung Anfang der 80er Jahre - Einsatz von Computern zur Datenerfassung und Datenverarbeitung: - aufwendige Programmierung häufig (teilweise) in Maschinensprache - Programmentwicklung für jede neue Problemstellung - Einsatz nur in Großprojekten mit großen Datenmengen - für einfache Messwerterfassung zu aufwändig Jeff Kodosky (Mitbegründer von National Instruments): Erstellung einer Entwicklungsumgebung zur Vereinfachung des Einsatzes von Computern für Mess- und Regelaufgaben (1983) NI Firmengründer: James Truchard, Jeff Kodosky, Bill Nowlin Seite 6

7 LabVIEW - Historische Entwicklung 1984: Apple Macintosh - erster Computer mit grafischer Benutzeroberfläche 1986: erste Version von LabVIEW für Macintosh (= Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 1990: zweite Version: Programme können in Maschinensprache compiliert werden 1992: LabVIEW für Windows und Sun 2003: LabVIEW 7: Einführung der Express-VIs Aktuell: 2012 Seite 7

8 Virtual Instruments Der konventionelle Ansatz: Experiment... und viele weitere Geräte... z. B. Temperaturregler, Heizungssteuerung, Flussregler, Magnetsteuerung Seite 8

9 Virtual Instruments Der Virtual-Instruments-Ansatz: Experiment Seite 9

10 Virtual Instruments Die Realität im Physiklabor: Experiment Seite 10

11 LabVIEW Entwicklungsumgebung Intuitive graphische Programmiersprache, konzipiert für Naturwissenschaftler, Techniker und Ingenieure Zahlreiche integrierte Funktionen für I/O, Steuerung und Regelung, Analyse und Datenpräsentation Fertige Bausteine für häufig verwendeten Aufgaben (Express-VIs, Gerätetreiber) Programme heißen VIs (VI = virtual instrument) Seite 11

12 LabVIEW Entwicklungsumgebung Frontpanel Blockdiagramm = Benutzeroberfläche = Programmcode (graphisch, Datenflussmodel) Seite 12

13 LabVIEW Entwicklungsumgebung Elemente für Frontpanel Funktionen für Blockdiagramm Werkzeuge Elemente generieren i. Allg. auch entsprechende Anschlüsse im Blockdiagramm Seite 13

14 LabVIEW Entwicklungsumgebung Frontpanel Blockdiagramm Ausgabefeld = Benutzeroberfläche Eingabefelder = Programmcode (graphisch, Datenflussmodel) Seite 14

15 LabVIEW Datenflussmodell Ausführung des Blockdiagramms abhängig vom Datenfluss (Ausführung erfolgt NICHT von z. B. links nach rechts) Symbole (Funktionen, SubVIs) besitzen Eingänge und/oder Ausgänge Ausführung eines Symbols, wenn alle Eingangswerte verfügbar sind Nach Ausführung der Funktion / des SubVIs stehen Ausgangswerte zur Verfügung Seite 15

16 LabVIEW Datentypen Seite 16

17 LabVIEW Kontrollstrukturen While-Schleife Case-Verzweigung For-Next-Schleife Sequenz Seite 17

18 Kommunikation PC externe Hardware Experiment Seite 18

19 Kommunikation PC externe Hardware Schnittstellen zwischen PC und externer Hardware (z. B. Messgeräte): GPIB (IEEE488) RS-232 SCSI USB Ethernet PCI PXI alt, aber noch häufig gebraucht alt, aber noch verbreitet alt, für Messgeräte seltener aktuell aktuell für Einsteckkarten Erweiterung von PCI Seite 19

20 GPIB-Schnittstelle Bezeichnungen: GPIB = General Purpose Interface Bus (auch: GP Instrumentation Bus) HP-IB = Hewlett-Packard Interface Bus IEEE-488 (IEEE-Standard) IEC-625 (IEC-Standard) Historische Entwicklung: 1960 Entwicklung des HP-IB durch Hewlett-Packard zur Ansteuerung externer Peripherie (z. B. Drucker, Plotter, Laufwerke, Messgeräte) 1975 IEEE-Standard erste GPIB-Controller von National Instruments (führender Hersteller) Seite 20

21 GPIB-Schnittstelle Technische Daten: Übertragungsgeschwindigkeit: Übertragungsmodus: Kontrollleitungen: Max. Anzahl Geräte: Bus controller: 1 MByte/s parallel, 8 bit 3 Handshake, 5 Bus management 15 (30 Adressen), Bus, Stern oder Mischform bestimmt Geräte zu "talker" oder "listener" Seite 21

22 GPIB-Schnittstelle Bus Transfer Timing: Talker Listener(s) 5 zusätzliche Bus-Management-Leitungen für Adressierung und Übertragung von Bus-Befehlen (talker und listener setzen) Seite 22

23 RS-232-Schnittstelle Bezeichnungen: RS-232 (Europa) EIA-232 (USA) umgangssprachlich: "serielle Schnittstelle" ursprünglich: Punkt-zu-Punkt-Verbindung für Datenübertragungseinrichtungen Sub-D-Stecker (9-polig oder 25-polig) Seite 23

24 RS-232-Schnittstelle Technische Daten: Übertragungsgeschwindigkeit: Übertragungsmodus: Kontrollleitungen: 6 Handshake 300 bit/s bis bit/s seriell, 7-bit oder 8-bit, Voll-Duplex asynchron (kein gemeinsamer Takt) Max. Anzahl Geräte: 1 Leitungslänge: 2400 bit/s: 900 m bit/s: <2 m Signalübertragung: Single-ended (gegen GND) Seite 24

25 USB-Schnittstelle Technische Daten: Übertragungsgeschwindigkeit: Übertragungsmodus: Leitungen: 1,5 Mbit/s, 12 MBit/s, 480 MBit/s, 5 GBit/s seriell nur 2 Übertragungsleitungen (symmetrisch) + 2 für Stromversorgung (+5 V und Masse) Max. Anzahl Geräte: 1, aber Baumstruktur möglich: max. 127 Datenübertragung: Paketübertragung (verschiedene Modi) Immer häufiger auch bei Messgeräten zu finden! Seite 25

26 SCPI ("skippy") Hallo DMM??? USB, LAN, GPIB, RS-232, PCI,... physikalische Übertragung? Sprache Viele Geräte(-hersteller) verwenden eigene Sprachen Programmers Guide 1992: erstmals Standardisierung einer Geräte-Kommandosprache SCPI = Standard Commands for Programmable Instruments Beispiele: CONFigure:VOLTage:DC AUTO READ? SCPI wird verwendet in Geräten von Agilent, Keithley, Tektronix,... Seite 26

27 LabVIEW und Gerätetreiber LabVIEW bietet für viele Messgeräte "Gerätetreiber" USB Seite 27