Einführung in LabVIEW

Transkript

1 Wolfgang Georgi Philipp Hohl Einführung in LabVIEW 6., erweiterte Auflage

2 Georgi / Hohl Einführung in LabVIEW Bleiben Sie auf dem Laufenden! Hanser Newsletter informieren Sie regel mäßig über neue Bücher und Termine aus den verschiedenen Bereichen der Technik. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter

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4 Wolfgang Georgi Philipp Hohl Einführung in LabVIEW 6., erweiterte Auflage Mit 1018 Bildern und 163 Aufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dipl.-Math. Wolfgang Georgi Hochschule Ravensburg-Weingarten für Technik, Wirtschaft und Sozialwesen M.Eng. Philipp Hohl Hochschule Ravensburg-Weingarten für Technik, Wirtschaft und Sozialwesen Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszu-schließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2015 Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Franziska Jacob, M. A. Herstellung: Dipl.-Ing. (FH) Franziska Kaufmann Satz: Kösel Media GmbH, Krugzell Covergestaltung: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Pustet, Regensburg Printed in Germany

6 Vorwort zur sechsten Auflage Dieses Lehrbuch führt wie in der ersten Auflage in das Programmieren mit LabVIEW ein. Damals mussten wir noch erklären, dass sich LabVIEW für messtechnische Anwendungen eignet und in der Industrie mehr und mehr geschätzt wird. Heute ist das allgemein bekannt, auch, dass es sich bei dieser von der Firma National Instruments entwickelten Software um ein Werkzeug handelt, das sich weit über die Messtechnik hinaus vorteilhaft anwenden lässt. Um einen guten Lernerfolg zu erzielen, sollte der Leser möglichst viele Beispiele und Übungen am PC durcharbeiten. Alle Beispielprogramme wurden für die LabVIEW-Version 2014 geschrieben. Wir setzen also voraus, dass der Leser die Version 2014 von LabVIEW installiert hat. Frühere Versionen wie LabVIEW 2009 oder LabVIEW 8.0 sind im Kern recht ähnlich. Programme, die mit diesen Versionen erstellt werden, laufen auch unter der Version Doch trifft das Umgekehrte naturgemäß nicht zu, weil jede neue Version auch neue Möglichkeiten bietet. Weiter wird vorausgesetzt, dass der PC unter einem der Betriebssysteme Windows 7 oder Linux arbeitet. Das Buch wendet sich an Studierende, aber auch an Ingenieure, die unter dem Stichwort "Lebenslanges Lernen" versuchen, neueren Trends in der Industrie zu folgen. Das Lehrbuch gliedert sich in vier Teile: Teil I: Grundlagen des Programmierens in LabVIEW Teil II: Technische Anwendungen Teil III: Kommunikation Teil IV: Fortgeschrittene Techniken In Teil I werden Installation und Aufruf von LabVIEW, grundlegende Arbeitsmittel wie (Front-)Panel, Diagramm, Paletten für Eingabe/Ausgabe, Funktionen und Werkzeuge behandelt, ferner Konzepte von LabVIEW, Datentypen, Grundlagen der Programmierung und Visualisierungstechniken. Teil II befasst sich mit Anwendungen wie Fouriertransformation, Filterung, Lösen von Differenzialgleichungen und Differenzialgleichungssystemen in der Technik. Teil III geht auf die Kommunikation ein. Hier sind zwei Aspekte von Bedeutung: Externe Kommunikation mit anderen Geräten und Rechnern, z.b. über USB, Datenerfassungskarten, TCP/IP (Internetanbindung), Kommunikation mit anderen Softwarepaketen, z.b. mit der Erstellung und Anbindung selbst geschriebener C-Module. Teil IV befasst sich mit Zustandsautomaten, mit der objektorientierten Programmierung (OOP), mit Tabellenkalkulation (Excel) und Datenbankanwendungen (Access), mit dem

7 6 Vorwort Datenaustausch über Intra- und Internet, mit dem Compact RIO-System von National Instruments samt FPGA-Programmierung und Verwendung von XControls und XNodes. Neu hinzugekommen sind in der sechsten Auflage Kapitel 23 und 24, in denen wir Scripting und das bisher recht unzugängliche Konstrukt der XNodes behandeln. Weitgehend neu haben wir das Kapitel 20 gestaltet. Abschnitt 20.5 wurde ins Internet ( gestellt und ersetzt durch das seit LabVIEW 2013 neu eingeführte Konzept des Webdienstes. Mehr als in der fünften Auflage haben wir verschiedene Kapitel ergänzt mit dem Ziel, dem Leser anhand von Beispielen 'guten Programmierstil' zu vermitteln. Das Lehrbuch ist trotz seines dadurch stark gewachsenen Umfangs immer noch knapp gehalten. Es kann also nur eine Einführung sein, die allerdings versucht, die wichtigsten Aspekte von LabVIEW zu berücksichtigen. Bei einem so umfangreichen Softwaresystem wie LabVIEW sind jedoch Lücken unvermeidlich. Hier verweisen wir auf weiterführende Literatur, auf die Veröffentlichungen von National Instruments, auf User Groups und auf das Internet ganz allgemein. Diese Hinweise werden wir in den verschiedenen Kapiteln des Lehrbuchs noch vertiefen. Wir bedanken uns ganz herzlich bei allen, die uns geholfen haben: Besonders bei Herrn Thakur Adhikari, der sich in seiner Masterthese mit XNodes befasst und damit regelungstechnische Anwendungen entwickelt hat. Ohne seine gründlichen Recherchen zu den in der Literatur nur unzulänglich dokumentierten XNodes wäre es nicht möglich gewesen, Kapitel 24 noch in dieser Auflage herauszugeben. Schließlich danken wir allen Lesern, die mit ihren Fragen Verständnisprobleme deutlich gemacht und uns damit zur Verbesserung mancher Erklärung angeregt haben. Wir sind auch weiterhin für Anregungen und Kritik dankbar. Diese können Sie uns jetzt auch direkt über die Internetseite übermitteln. Weitere Informationen zu LabVIEW sowie die Downloads der Test- bzw. Studentenversionen finden Sie unter: Dem Fachbuchverlag Leipzig, und hier besonders Frau Werner, Frau Jacob und Frau Kaufmann, danken wir für die gründliche Korrektur und ihre Ratschläge zur Gestaltung des Layouts. Weingarten, Juni 2015 Wolfegg W. Georgi P. Hohl

8 Inhalt Teil I: Grundlagen des Programmierens in LabVIEW 17 1 Was ist LabVIEW? Entwicklungsstufen Was will dieses Lehrbuch? Installation Einführendes Beispiel Programmierung von c = a + b Speicherung als Programm Add.vi Starten und Stoppen von Add.vi Fehlersuche in Add.vi (Debugging) Beispiel für eine Grafik in LabVIEW Grundlegende Konzepte von LabVIEW Frontpanel Blockdiagramm Rezepte Shortcuts Einstellungen, Paletten Einstellungen Einstellungen von LabVIEW Frontpanel Blockdiagramm Ausrichtungsgitter Wiederherstellungen Paletten Werkzeugpalette (Tools Palette) Eingabe-/Ausgabe-Elemente Funktionenpalette Palette konfigurieren Programmstrukturen Strukturiertes Programmieren Sequenz Case-Struktur... 53

9 8 Inhalt 3.4 Schleifen Guter Programmierstil Datentypen Numerische Datentypen Kontextmenü: 'Darstellung' Kontextmenü: 'Anzeigeformat ' Boolesche Datentypen String und Pfad Arrays Definition und Initialisierung eines 1-dimensionalen Arrays Definition und Initialisierung eines 2-dimensionalen Arrays Array erstellen Rechnen mit Arrays: Addition Rechnen mit Arrays: Multiplikation Steuerung von For-Schleifen mit Arrays Behandlung einzelner Arrayelemente Cluster Erzeugung eines Clusters Clusterwerte ändern Aufschlüsseln eines Clusters Umordnen der Elemente eines Clusters Cluster-Arrays Ring & Enum Datentyp FXP Datentyp Variant Guter Programmierstil Unterprogramme und Typdefinitionen Wozu Unterprogramme (SubVIs)? Erstellen von Unterprogrammen Einführendes Beispiel Weitere Hinweise für die Erstellung eines Unterprogramms Einstellungen für Programme und Unterprogramme Erstellen von Unterprogrammen mit internem Zustand Erstellen von polymorphen Unterprogrammen Aufruf von Unterprogrammen Statische Bindung Dynamische Bindung VI-Referenz öffnen und schließen Aufruf eines VI über seine Referenz Beispiel für den SubVI-Austausch während der Laufzeit Rekursiver Aufruf von Unterprogrammen Testen (Debugging) von ablaufinvarianten SubVIs...113

10 Inhalt Typdefinitionen Beispiel einer Typdefinition für Enum-Variablen Beispiel einer Typdefinition für Registerkarten Guter Programmierstil Vereinfachung durch Unterprogramme und Typdefinitionen Aussagekräftige Symbole (Icons) Anordnung häufig verwendeter Elemente Kommentierung der Elemente und Funktionen eines VI Detaillierte Hilfe Prozessvisualisierung OOP-Konzepte Eigenschafts- und Methodenknoten Grafische Ausgabe Chart (Signalverlaufsdiagramm) Darstellung einer Sinuskurve Darstellung von zwei oder mehr Kurven in einem Chart Legende zu einem Chart oder Graphen Skalierung der Ordinate in einem Chart Graph (Signalverlaufsgraph) Darstellung einer Sinuskurve Darstellung von zwei oder mehr Kurven in einem Graphen Skalierung der Abszisse in einem Graphen XY-Graph Darstellung einer Relation im XY-Graphen Darstellung mehrerer Relationen in einem XY-Graphen Signalverlauf Express-VIs, Programmierstil Express-VI zur Erzeugung von Kurven Express-VI zur Erstellung von Berichten Referenzen, Fehlerfunktionen Einführendes Beispiel Vertauschung von zwei Variablenwerten Referenzen auf Bedien- und Anzeigeelemente Lösung des Vertauschungsproblems Vererbung Eigenschaften der Basisklasse Eigenschaften von abgeleiteten Klassen Fehlerfunktionen Fehlermeldungen mit oder ohne Dialog Wo findet man wichtige Fehlerelemente und Fehlerfunktionen? Verschiedene Fehlerarten Standardfehlerleitung Funktionen ohne oder mit vereinfachter Fehlerleitung

11 10 Inhalt Ausgang aus While-Schleifen Erzwingung von sequenziellem Ablauf Datentransfer von und zur Festplatte Dateifunktionen Allgemeines zur Speicherung von Dateien Palette Dateifunktionen Einführendes Beispiel Modifiziertes Beispiel Beispiel: Anlegen einer Protokolldatei Überschreiben ohne Warnung Pfade Pfadkonstanten Pfadkonstante 'Standardverzeichnis' 'Standardverzeichnis' ändern 'Standarddatenverzeichnis' ändern Lesen und Schreiben anderer Datentypen Verketten von Schreib- und Lesefunktionen Tabellenkalkulation Pfade in einer EXE-Datei Fortgeschrittene Dateitypen LVM-, TDMS- und TDM-Dateien Diadem ZIP-Dateien Konfigurationsdateien LabVIEW-Kurzüberblick Aufbau des LabVIEW-Systems Programmierung in G Interpretieren oder kompilieren? Datenflussprogrammierung Hardware-Unterstützung Bibliotheken mathematischer und technischer Funktionen Benutzerschnittstelle Technologische Abstraktion Rechenmodelle Projekte Erstellung von EXE-Dateien Erstellung einer EXE-Datei EXE-Datei auf einem Rechner ohne LabVIEW-System Strukturen zur Programmentwicklung Deaktivierungsstrukturen Debug-Einstellung in der Projektverwaltung LabVIEW-Bibliotheken Umwandeln von LLB-Bibliotheken...202

12 Inhalt Einbindung von C-Funktionen unter Windows Reihe in C# Reihe in C Reihe mit MathScript Hilfen zu LabVIEW Schnelleinfügeleiste (Quickdrop) Der VI Package Manager Verwalten der LabVIEW-Entwicklungsumgebung Eigenes Paket erstellen Teil II: Technische Anwendungen Fouriertransformation Zeit- und Frequenzbereich Die reelle Fouriertransformation Darstellung der Fourierkoeffizienten c in LabVIEW k 10.2 Diskrete Fouriertransformation Satz von Shannon Aliasing Frequenzauflösung Filterung Filtertypen Ideale und reale Filter Beispiel eines digitalen Filters LabVIEW-Filterfunktionen Filterung im Frequenzbereich Idee der Filterung im Frequenzbereich Die inverse Fouriertransformation in LabVIEW Beispiel eines Tiefpasses Differenzialgleichungen Lösen mit LabVIEW-ODE-Funktionen Lösen nach dem Analogrechnerprinzip Blockdiagramm-Darstellung Vereinfachungen Genauigkeit numerischer Verfahren Systeme von Differenzialgleichungen Systeme gewöhnlicher Differenzialgleichungen Gekoppeltes Feder-Masse-System Lösung mit eingebauter ODE-Funktion Lösung mit Blockdiagramm wie in MATLAB Umwelt und Tourismus

13 12 Inhalt 14 Parallelverarbeitung, Laufzeiten, Ereignisse Einführendes Beispiel Grundbegriffe der Parallelverarbeitung Multiprocessing, Multitasking, Multithreading Synchronisierung von Prozessen Parallelverarbeitung unter LabVIEW Erzeugen von Ressourcen für die Prozesskommunikation Freigabe von Ressourcen der Prozesskommunikation Zeitbegrenzung Ressource schont Prozessor Prozess-Synchronisierung ohne Datenaustausch Occurrences Semaphor Rendezvous Prozess-Synchronisierung mit Datenaustausch Melder-Operationen Queue-Operationen Globale Variablen Laufzeitprobleme und ihre Behandlung Laufzeitprobleme bei lokalen Variablen Laufzeitprobleme bei globalen Variablen Ereignisgesteuerte Programmierung Frontpanel-Ereignisse Wertänderungs-Ereignisse Gefilterte Ereignisse Zeitschleifen Teil III: Kommunikation Serielle Eingabe/Ausgabe RS Programmierung der RS-232 in LabVIEW Die USB-Schnittstelle Feld-Bus, CAN-Bus CAN-Protokoll CAN-Interface CANopen-Protokoll, ZILA-Sensor CAN-Bus mit Laptop und zwei Sensoren XNET-System von National Instruments Der byte-serielle GPIB-Bus Datenerfassungsgeräte Datenerfassungskarten/Datenerfassungsgeräte Allgemeines Treiber, MAX (Measurement and Automation Explorer) Physikalische und virtuelle Kanäle, Task Programmierung von Datenerfassungs-VIs, simulierte Geräte...325

14 Inhalt Programmierung von VIs zur Analogausgabe Programmierung von VIs zum Digital-I/O Programmierung mit Hilfe des DAQ-Assistenten Programmatische Task-Erstellung USB-Gerät NI USB Begriffe 'differenziell', 'RSE' und 'NRSE' Zwei Analogsignale mit der NI USB-6521 lesen Triggern mit NI USB Streaming mit NI USB Ältere Datenerfassungskarten/-geräte TEDS IVI-Gerät NI USB Teil IV: Fortgeschrittene Techniken Professionelle Programmentwicklung Sequenzstruktur Zustandsautomaten Notation für Zustandsautomaten Umsetzung Zustandsdiagramm LabVIEW-Programm Strings für die Zustandsauswahl Enum für die Zustandsauswahl Münzautomat Münzautomat mit Queues und Ereignisstrukturen Programmierhilfen Arbeiten mit vorgefertigten Strukturen (Templates) Beurteilung Programmeffizienz und geeignete Werkzeuge dazu Objektorientierte Programmierung Warum objektorientiert? Erstes Beispiel zur objektorientierten Programmierung Bildung einer Klasse Private Eigenschaften der Klasse Methoden der Klasse Weitere Beispiele zur OOP Vererbung Polymorphie Modulaustausch Schutz einer Klassenbibliothek LabVIEW: Tabellenkalkulation, Datenbanken Schreib-/Lesebefehle zur Tabellenkalkulation Allgemeines über ActiveX ActiveX-Container in LabVIEW ActiveX in LabVIEW zur Steuerung von Anwendungen

15 14 Inhalt 19.3 Beispiele zur Anwendung auf Excel Öffnen und Schließen von Excel Sichtbarmachen einer Excel-Tabelle Eintragen von Daten in eine Excel-Tabelle Geschwindigkeit der Datenspeicherung Erstellen von Makros zum Umwandeln einer Tabelle in eine Grafik Aufruf von Makros in LabVIEW mit Hilfe von ActiveX Erhöhung der Geschwindigkeit Schreiben mehrerer Dateien Microsoft-Datenbank Access Einführung Verbindung mit der Datenbank SQL Verwendung von SubVIs Internet, Server und Client Allgemeine Bemerkungen zum Internet Ethernet Ethernet-Karten, MAC- und IP-Adresse TCP/IP-Protokoll Einfaches LabVIEW-Beispiel: Ping Programmieren mit DataSocket Programmieren mit TCP/IP Server und Client Beispiel für die Übertragung von Sinusdaten über TCP/IP Webdienste Grundbegriffe Struktur der Webdienstkommunikation Erstes einfaches Beispiel Zweites einfaches Beispiel Drittes Beispiel Dreiecksberechnung Webserver im Internet Firmeninternes Netz Aufruf im Internet Compact RIO-System und FPGA Definition Installation Schritt 1: Software-Installation auf dem PC Schritt 2: Zusammenstellen der crio-hardware Schritt 3: Zuweisung einer IP-Adresse zum crio-system Schritt 4: Installation weiterer Software auf dem crio-system Schritt 5: Verbindung eines PC mit einem crio-system im Netz...470

16 Inhalt Programmierbeispiele für FPGA Beispiel zur Digitalausgabe Beispiel eines Zählers FPGA-Anwendung: Ermittlung eines Frequenzganges Umgebungsvariablen Projekt 'Shared_Einzeln' Projekt 'Shared_Netzwerk' Projekt 'Shared_cRIO' FPGA-Anwendungen auf dem crio-9014 ohne PC-Unterstützung Projekt 'RIO_MOD1_Switch' Projekt 'RIO_User1_Switch' Umstellung des crio-systems von einem Standalone-Projekt zum nächsten XControls Unterschied zu einfachen Ctls Anzeige der Flugbahn eines Steines Erstellen eines XControls Allgemeines Rezept Beispiel XControl_Pfeil.xctl Eigenschaften in einem XControl Bedeutung der Rahmen [1] bis [4] im Fassaden-VI Weitere Verbesserungen XControl zur Erstellung von Symbolleisten Zustand der Symbolleiste Funktionen der Symbolleiste Symbole hinzufügen Alle Symbole löschen Rückmeldung des Symbols, das unter dem Mauszeiger liegt Anpassung des Erscheinungsbilds an eigene Bedürfnisse Leistungsmerkmal 'Status für Speichern umwandeln' LabVIEW VI-Skripte Was sind VI-Skripte Die VI-Skripte Funktionen in der Palette anzeigen Die VI-Skripte Funktionen Neues VI Neues VI-Objekt VI-Objektreferenz öffnen Abstand des neuen VI-Objekts von Referenzobjekt GObjects suchen GObject-Beschriftung abfragen Klassenhierarchie mittels Klassennamen ermitteln Weiterführende Informationen Wo werden VI-Skripte eingesetzt?

17 16 Inhalt 23.5 Modifizierung der Projektvorlage "Leeres VI" Erstellen eines Quickdrop Plugins mit VI-Skripting XNodes Einführung Regelungstechnische Anwendung Aufbau eines XNodes Wie bildet man einen XNode? Vorbereitende Überlegungen Programmierung von NeueKuh.xnode Template-VI Ability-VIs Wie ändert man einen XNode? XNodes in der Funktionspalette speichern Literatur 575 Index 577