Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 1 Prof. Dr.-Ing. F. Mohr, Dipl.-Ing. (FH) Markus Holzer Versuch 2: Grundlegende Einführung in die graphische Programmieroberfläche LabVIEW, Teil 2 1 Einleitung Am 2. Labortag sollen Sie, aufbauend auf den am ersten Labortag gewonnenen Kenntnissen, ein Programm erstellen lernen, das zur manuellen Eingabe von Messdaten geeignet ist. Das Programm stellt damit eine erste messtechnische Anwendung von LabVIEW dar. 2 Ablauf des Labortages Sie sollen schrittweise durch Erstellen einfacher Programmelemente mit stetig steigender Komplexität mit immer neuen Elementen der Programmiersprache LabVIEW vertraut gemacht werden. Dazu sollen Sie die im folgenden dargestellten Programme weitgehend selbständig nachbilden. Die Anleitung durch den Betreuer soll damit auf ein Minimum reduziert werden, und Sie sollen zunehmend zum eigenen Handeln geführt werden. Speichern Sie jeweils, wie am ersten Labortag gelernt, die Programme wieder als VI s loop*.vi in einer Library Loops.llb ab. Und benützen Sie die Hilfefunktion, aufzurufen über Strg-h! 3 Die Programme im Einzelnen. 3.1 Loop 1 Hier sollen Sie neben der bereits kennen gelernten While-Schleife die Struktur Sequence kennenlernen, sie ist unter Structures-> Staced Sequence Structure zu finden. Mit Sequence werden Programmelemente definiert, die (hier) in 2 aufeinanderfolgenden Schritten abgearbeitet werden. In Sequenz 0 wird lediglich die Eingebetastatur abgefragt und eine LED zum Aufleuchten gebracht; das Programm geht erst nach dem Verlassen der Schleife in Sequenz 2 und aktiviert dort den Beep. (Diese Funktion finden sie unter Functions / Graphics&Sound.) Beim Erstellen der Sequenz beachten: Sie erhalten zunächst nur den einfachen Rahmen ohne die Nummerierung 0 bzw. 1 am oberen Rand. Diese erhalten Sie, indem Sie am oberen Rand mit der rechten Maustaste anklicken und Add frame after auswählen. Sie können dann mit dem Button am oberen Rand zwischen beiden Schritten hin- und herklicken. Der mechanische Taster ist noch auf die richtige mechanische Funktion einzustellen (eben als Taster!) Ein Taster geht, wurde er gedrückt und ist er somit high, nach der ersten Abfrage Überarbeitung für die Version 8, 2006
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 2 durch das Programm wieder in low -Position zurück. Diese Einstellung erfolgt, indem Sie ihn im Panel mit der rechten Maustaste anklicken und danach in Mechanical Action die Einstellung Latch When Pressed auswählen. Siehe untenstehende Abbildung. Außerdem wichtig, um Missverständnissen vorzubeugen: Nur zur Verdeutlichung sind bei den nachfolgenden Darstellungen die Sequenzen 0 und 1 jeweils untereinander dargestellt; im Programm selbst erscheint immer nur eine der beiden. Also nicht versuchen, beide untereinander dargestellten Abbildungen zu realisieren!!
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 3 3.2 Loop 2 Hier lernen Sie zusätzlich die For -Schleife kennen, mit der hier ein 5-facher Beep im zeitlichen Abstand von jeweils 500ms ausgelöst wird. Während die While-Schleife nach einem innerhalb der Schleife ermittelten Abbruchkriterium selbst den Abbruch steuert, ist die Anzahl der Durchläufe bei der For-Schleife durch eine außerhalb der Schleife vorgegebene Zahl (N, hier 5) vorgegeben. Die Anzahl der Durchläufe kann somit, ist das Programm erst einmal in die Schleife eingetreten, nicht mehr verändert werden. Beachten: N gibt die Anzahl der Durchläufe an; der Schleifenindex i läuft aber von 0 bis N-1. 3.3 Loop 3 Hier sollen Sie die Verwendung des Schieberegisters bei den Schleifen kennenlernen. Das Schieberegister (2 Dreieck-Symbole rechts und links in der While-Schleife) gibt die innerhalb der Schleife gewonnenen Daten nach rechts in das Schieberegister hinein und holt sie beim nächsten Schleifendurchlauf von links wieder heraus, um sie dann weiter bearbeiten zu können. Die Datenverarbeitung hat dabei die Aufgabe, je nachdem ob LED ein gedrückt war oder nicht, das Schieberegister zu inkrementieren oder nicht. D.h. das Schieberegister zählt die Anzahl der Tastendrücke mit. Die Entscheidung, ob inkrementieren oder nicht, wird über das Element Select (s.u.) weitergegeben. Sie finden Select in der Functions-Palette unter Comparison (3.Zeie, 1. Spalte). Die Anzeige des Zählerstands erfolgt erst nach Drücken von Stop, da erst dann der Schieberegister-Inhalt von Sequenz 0 nach Sequenz 1 weitergereicht und an den Indicator gegeben wird. Zur Weitergabe von Daten von einem Sequenzschritt zum zweiten brauchen Sie Sequence local. Sie bekommen es durch Anfahren der Berandung der Sequenz und Anklicken der rechten Maustaste. Als Anzeige für die Tastendrücke wurde Simple Numeric benutzt (beachten: muss auf Indicator eingestellt sein!)
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 4 Das neue Element Select schaltet- in Abhängigkeit vom Status der booleschen Steuergröße s - den Wert des t (true) oder f (false) Eingangs zum Ausgang durch. 3.4 Loop 4 In Loop 4 (Abbildung nächste Seite) wird eine alternative Lösung für Fallentscheidungen eingeführt, die vor allem dann sinnvoll ist, wenn in Abhängigkeit von einer Booleschen Variablen komplexere Operationen durchzuführen sind. In diesem Fall verwenden Sie besser die Case -Struktur (unter Structures zu finden). Die die Entscheidung bestimmende Variable wird an das Fragezeichen (hier links am Rand der Case- Struktur) angeschlossen. Die Case-Struktur kann, wenn erforderlich, auch auf mehr als 2 Alternativen eingestellt werden; dann wird nicht eine Boolsche Zahl, sondern eine Integer-Variable angeschlossen. Hier ebenfalls neu: Die beiden Schieberegister werden zu Beginn des Programms initialisiert; d.h. hier mit Null beschrieben. Dazu dient die links außen angeschlossene 0. Probieren Sie aus, was passiert, wenn Sie nicht initialisieren (oder mit einer anderen Zahl als Null initialisieren).
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 5 3.5 Loop 5 In diesem Beispiel sollen Sie Arrays kennenlernen. Es gibt ein- und mehrdimensionale Arrays, in diesem Fall benutzen wir ein eindimensionales Array, vergleichbar einer Nx1-Matrix bzw. einem Vektor. Die Aufgabe des hier vorgestellten Programms ist es zunächst wieder nur, bei jedem Tastendruck die nächstgrößere Zahl zu erzeigen (inkrementieren wie oben) und die so erzeugten Zahlen dann in ein Array zu schreiben. Auf der Diagrammebene benötigen wir dazu die Funktion Build Array (in der True -Schleife und unten als Hilfe abgedruckt); wir erhalten sie über Funktions / Array / 2.Zeile, 2.Spalte. Diese Funktion hat zunächst einen Eingang und einen Ausgang; die Anzahl der Eingänge kann durch Größerziehen mit der Maus erhöht werden. Wir benötigen 2. Die Funktion hängt an ein vorhandenes Array eine Zahl als neues Element an, erhöht also die Ordnung des o.a. Vektors um 1. Sie ist dazu mit der Maus so einzustellen, dass sie weiß, an welchem Eingang die neue Zahl und an welchem das bereits existierende Array ankommt. Im vorliegenden Fall wurde der Eingang links oben mit der rechten Maustaste auf Array und der links unten auf Element eingestellt. Die auch hier außerhalb der Schleife vorgenommene Initialisierung der Schieberegister hatte im oberen Fall zu berücksichtigen, dass das obere Schieberegister die Arraydaten weiterreicht; deshalb musste es gleich mit dem Datentyp Array initialisiert werden. Dazu dient ein dort eingeschobenes Build Array in seiner einfachsten Form, d.h. mit nur einem Eingang. Auf der Panelseite benötigen wir zur Darstellung der Daten ebenfalls eine Array-taugliche Anzeige. Man erhält sie unter Controls / Array Matrix & Cluster / Array. Von dort kann man die unten rechts dargestellte Anzeige anklicken. Sie hat als Anzeige bereits Array-Charakter, weiß aber noch nicht, welchen Typ von Information sie darstellen soll. Deshalb muss man in das zunächst noch leere Anzeigefeld nachträglich noch ein Feld aus Controls / Numeric / Numeric Indicator einfügen. Dann kann wie üblich auf der Diagramm-Ebene verdrahtet werden.
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 6 Als weitere Anzeige wurde zum graphischen Darstellen des Arrayinhalts der Waveform-Graph benutzt. Hier ist die horizontale Achse einfach eine fortlaufende Durchnummerierung der eingegebenen Daten. 3.6 Loop 6 Hier sollen Sie nun das Erzeugen eines xy-diagramms kennenlernen. Das Programm erzeugt dazu zunächst innerhalb der Case-Struktur zwei Nx1-Arrays (Spaltenvektoren), indem es in einem Array die Anzahl der Tastendrücke zählt und in das zweite die am Digital Control jeweils eingestellten Zahlen (z.b. Messwerte) hineinschreibt. Außerhalb der Case-Struktur werden diese beiden Arrays in zweierlei Weise weiterverarbeitet: Unter Verwendung von Bundle (Functions / Cluster / 1.Zeile, 2.Spalte) werden beide formal so zusammengebunden ( gebündelt ), dass sie vom xy-display ( ist unter Controls /XY Graph/ 1.Zeile zu finden) gelesen und graphisch dargestellt werden können. Die Hilfe-Information zu Bundle ist unten dargestellt. Darunter werden sie unter Verwendung der bereits bekannten Funktion Build Array, wieder mit zwei Eingängen, nun aber beide auf Array eingestellt, so kombiniert, dass ein Nx2-Array (2-spaltige Matrix), entsteht. Diese kann dann mit der ebenfalls schon bekannten Anzeige für Arrays dargestellt werden. (Auf dem Panel rechts oben.) Dazu ist die Array-Anzeige aber noch für 2 Dimensionen zu erweitern, indem das Indexkästchen an ihrem Rand links oben nach unten aufgezogen, d.h. für 2 Dimensionen erweitert wird.
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 7 Damit die Anzeige als 2-Spalten- und nicht als 2-Zeilenmatrix erfolgt, muss die Matrix noch mit der Funktion Transpose Array (Transponiere Array) umgeordnet werden. 3.7 Loop 7 Diese letzte Übung setzt das bisher Gelernte weiter um zu einem Programm, mit dem Datenpaare eingelesen und graphisch dargestellt werden können. (Anwendungsbeispiel: Kalibrierung eines Voltmeters. Es wird jeweils der abgelesene Spannungswert und der exakte, mit einem Eichmultimeter ermittelte Wert paarweise eingetragen.) Neu ist hier lediglich, dass die Initialisierung der Schieberegister mit jeweils einem leeren Array erfolgt. Damit wird nicht beim ersten Schleifendurchlauf wie oben eine Wertekombination (0/0) in die Register geschrieben (wem ist das aufgefallen?), sondern gar nichts. D.h. das erste erfasste Wertepaar ist tatsächlich das vom User eingegebene. Das Programm soll zum Kalibrieren eines Handmultimeters eingesetzt werden.
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 8 3.8 Loop 8 (Zusatz-Aufgabe, Erweiterung zu Loop 7)
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 9 4 Aufgabe bis zum nächsten Versuchstag: Simulation und Linearisierung einer Thermistorkennlinie Ein Thermistor (NTC-Widerstand) hat bekanntlich die nichtlineare Kennlinie: R (T) 1 1 B T T 0) e 0 = R(T dabei gilt [T] = 1 K; außerdem ist üblicherweise T 0 = 300 K (entspr. Raumtemperatur). Sie sollen mehrere Aufgaben bearbeiten im Zusammenhang mit einer solchen Kennlinie: 1) Erstellen Sie ein LabVIEW-Programm, mit dem der Verlauf der Kennlinie als R = R(T) graphisch dargestellt wird. Erstellen Sie dazu Eingabefelder, mit denen Sie die Werte für folgende Parameter eingeben können: R(T 0 ) = R 0 /Ohm (R0 ist der Widerstandswert bei Raumtemperatur; typische Werte sind 1k, 4.7k, 10k, 47k, 100k), B/Ohm (typische Werte sind 3000, 4000, 5000), Tmin/K, Tmax/K (Werte der minimalen bzw. maximalen Temperatur in K, für die die erhaltene Graphik angezeigt werden soll). Das Programm soll in einer Schleife laufen, die jede Neueingabe eines Parameterwertes sofort in eine neue Berechnung übernimmt. Die Schleife soll erst bei Drücken der Taste STOP verlassen werden. Orientieren Sie sich bei der Gestaltung des Programms an der nachfolgend dargestellten Bedienoberfläche. Benutzen Sie als Display ein xy-diagramm, das mit den Arrays für die T- und die R(T)-Werte gespeist wird. 2) Erweitern Sie das obige Programm so, dass eine Linearisierung mit einem parallel- und einem seriengeschalteten Widerstand berechnet wird. Zeigen Sie damit, wie sich die resultierende Gesamt-Widerstandskennlinie durch Verändern von Rs und Rp ändern lässt. Orientieren Sie sich an der an der nachfolgend dargestellten Bedienoberfläche.
Versuchsanleitung zur Lehrveranstaltung Labor Messtechnik/Messdatenerfassung S. 10 3) Erweitern Sie nochmals, indem Sie in das bis hierhin erstellte Programm eine Routine einbauen, die eine lineare Regression der errechneten Kurve durchführt und damit die Best- Fit-Gerade errechnet. Stellen Sie die Best-Fit-Gerade zusammen mit der tatsächlichen Kennlinie der Parallelschaltung im gleichen Diagramm dar. Sie finden die Routine zum Linear-Fit in der Functions -Palette unter Mathematics (2.Zeile, 1-Spalte) Fitting Linear Fit. Siehe nachfolgende Abbildung. Die Werte von Achsenabschnitt (a), Steigung (b) und mittlerer quadratische Abweichung (mse) der Fit-Kurve sollen angezeigt werden.